Post on 12-Jan-2015
INSTITUTO NACIONAL DE ASTROFISICA ÓPTICA Y ELECTRÓNICA
ÓPTICA NO-LINEAL
“CONTRASTE DE FASE NO LINEAL”
Presenta:
Gerardo Díaz González
Profesor:
Carlos G. Treviño Palacios
CONTENIDO
Introducción
Microscopio de Contraste de Fase de Zernike
Contraste de Fase No-Lineal
Otras Aplicaciones
Productos comerciales
CONTENIDO
Introducción
Microscopio de Contraste de Fase de Zernike
Contraste de Fase No-Lineal
Otras Aplicaciones
Productos comerciales
INTRODUCCIÓN
Los objetos transparentes sin teñir, tales como las células,
representan un problema porque sus imágenes tienen muy poco
contraste y son esencialmente invisibles en microscopia ordinaria
de campo brillante.
Aunque los objetos transparentes inducen desplazamientos de fase
a la luz que incide en ellos, produciendo además dispersión y
difracción, siguen siendo casi invisibles, porque el ojo no puede
detectar diferencias en fase.
La técnica de contraste de fase, transforma estas diferencias en
fase de la luz incidente sobre el objeto, en diferencias de amplitud en
la imagen. Así, el objeto se hace visible sin necesidad de teñirlo.
Esta técnica fue desarrollada en 1934 por el físico holandés Fritz
Zernike, quien inventó el método del contraste de fase y lo aplicó en
el microscopio de contraste de fase.
La microscopía de contraste de fase es una técnica óptica para
realzar el contraste, y se puede utilizar para producir imágenes de
alto contraste de especímenes transparentes.
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Introducción
Microscopio de Contraste de Fase de Zernike
Contraste de Fase No-Lineal
Otras Aplicaciones
Productos comerciales
MICROSCOPIO DE CONTRASTE DE FASE DE ZERNIKE
La técnica de contraste de fase (o microscopio de contraste de fase)
opera solamente sobre la fase de la onda de luz, a diferencia de
otras técnicas de filtrado que trabajan con la amplitud de la onda.
En su tratamiento, Zernike encontró que un filtro de fase de π/2
colocado en el plano focal, alteraba la frecuencia cero de las
componentes espectrales del objeto.
En la mayoria de los libros de óptica general se hacen dos
consideraciones para la técnica:
1) El filtro de fase se restringe a un valor de π/2,
2) Las variaciones en fase del objeto, (x,y), son pequeñas,
menores a 0.1π rad.
Expresándola como una serie de Taylor, y con las aproximaciones
correspondientes, la función de fase del objeto de aproxima a:
La función de fase del objeto, donde el desplazamiento de fase
promedio se ha omitido, es
En el plano imagen del microscopio de contraste de fase, tendremos
La imagen producida por un microscopio convencional, en nuestra
aproximación, tendría la siguiente distribución de intensidad:
donde el término 2 ha sido despreciado debido a la consideración
2.
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Microscopio de Contraste de Fase de Zernike
Contraste de Fase No-Lineal
Otras Aplicaciones
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CONTRASTE DE FASE NO LINEAL
El material no-lineal es un Kerr
El material no-lineal auto induce el cambio de fase
El medio no lineal, al ser de tipo Kerr, cambia su indice de
refracción con la intensidad, por tanto
donde
Kerr
Kerr saturable
La fase también depende de la intensidad.
En el plano de Fourier la distribución de intensidad espacial
produce un filtro de fase variando espacialmente.
Puesto que el material no-lineal es puesto sobre el plano de
Fourier, el filtro es
i) De fase autoinducida
ii) Auto alineado
iii) De tiempo real
Material No-Lineal: Bacteriorrodopsina
Experimento
Resultados del experimento con Bacteriorrodopsina
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Introducción
Microscopio de Contraste de Fase de Zernike
Contraste de Fase No-Lineal
Otras Aplicaciones
Productos comerciales
La técnica de contraste de fase, no sólo se implementó en un
sistema de microscopio. Numerosas aplicaciones de la técnica de
contraste de fase se han implementado en distintos campos.
En 1953 se le implementó para evaluar componentes ópticas,
como rejillas de difracción, con gran precisión.
Entre 1954 y 1957 se le utilizó como un refractómetro de
contraste de fase para evaluar la concentración de componentes
químicos en gases y líquidos.
OTRAS APLICACIONES
En 1958, W. S. Rodney y E. Djurle, propusieron un refractómetro
de contraste de fase que funcionara en el infrarrojo. Se centraron en
la línea de 1.014 de una fuente de mercurio. El instrumento fue
utilizado para medir índices de refracción en aire.
K. Tetekura, propuso el uso del principio de contraste de fase
para determinar el perfil del índice de fibras ópticas mono modo.
O. E. Martínez, propuso una técnica para medir linealmente
pulsos ultracortos utilizando un arreglo de contraste de fase. La
duración de los pulsos era del orden de picosegundos. En el método
se midió el desplazamiento de fase introducido por el pulso
propagándose transversalmente en un medio con nolinealidad tipo
Kerr.
El estudio de superficies también ha sido un campo en donde la
técnica de contraste de fase ha tenido gran impacto.
En 1985, C. W. See y colaboradores [23], presentaron resultados
experimentales del estudio de superficies de acero inoxidable
pulido, diamantes pulidos y en bruto. Utilizaron una variedad de la
técnica de contraste de fase conocida como contraste de fase
diferencial. En todos los casos fueron visualizados las rugosidades y
defectos de todas las muestras.
En ese mismo año, S. N. Jabor, midió la rugosidad de superficies
en vidrio pulido de baja reflectancia menores de 0.1 nm.
En 1988, Lohmann y colaboradores, propusieron un arreglo de
iluminación basado en contraste de fase. La posible aplicación de
este sistema es en computadoras digitales ópticas. En este sistema,
se convierte una iluminación uniforme en un arreglo de puntos
brillantes. Usando una rejilla de fase, ésta era iluminada
uniformemente, las variaciones de fase eran convertidas en
variaciones de amplitud a la salida de un sistema de contraste de
fase, proporcionando la iluminación necesaria para
microcomponentes como compuertas lógicas.
Años después, en 1995, J. Glückstad, implementó un arreglo
similar utilizando un medio Kerr para fotoinducir el filtro de fase. En
particular utilizó una película de bacterirrodopsina.
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Introducción
Microscopio de Contraste de Fase de Zernike
Contraste de Fase No-Lineal
Experimentos
Otras Aplicaciones
Productos comerciales
Óptica de microscopio de contraste de fase y un microscopio moderno
de contraste de fase. Se muestra el diseño de un microscopio de
contraste de fase (Gundlach, 2003; Locquin, M y Langeron, M. 1985).
Serie B-600, OPTIKA Microscopes
(Microscopios biológicos para
investigación)
Características técnicas:
Distancia interpupilar: regulable entre 51
y 78mmCompensación dióptrica: +/- 5 dioptríasOculares: EWF10x/22mm, perfecto para
el uso con gafas de vista.Sistema óptico: índice de campo 22 mm;
160 mm estándar o sistema IOS.Condensador: del tipo de Abbe a dos
lentes y a doble apertura numérica 0,22/
1,22.Objetivos: en función de los modelos;
plano acromáticos160 mm o plano
acromáticos corregidos al infinito (IOS)
para campo claro o contraste de fase.
Microscopio Binocular Carl Zeiss Pirámide Axiostar
Objetivos revólver 4x, c/objetivos CP Achromat 5, 10, 40 y
100x
Aumento Máximo 1800x
Platina mecánica charriot verdadero de 160x140mm
Factor de ampliación propio 1x.
Con ajuste de distancia interpupilar entre 55 y 75mm.
Permite la incorporación de accesorios tales como:
contraste de fase Ph1, Ph2 y Ph3, campo oscuro,
polarización simple, medición, microfotografía/TV, análisis
de imagen, dibujo, co-observación.
Superficie con tratamiento de acabado cerámico,
resistente a sustancias corrosivas y raspaduras.
Condensador Abee 0.9/1.25 regulable en altura, diafragama
iris de apertura ajustable, y montura para correderas de
contraste de fase y campo oscuro.
Microscopios CKX31 y CKX41 (Olympus)
Los microscopios CKX utilizan el sistema óptico corregido al infinito y ofrecen
mejor visibilidad y operabilidad en la observación de células. El CKX31 es un
microscopio invertido con una excelente relación costo-beneficio diseñado para
aplicaciones de rutina en varios campos, desde el cultivo de tejidos y la
embriología hasta la inmunología y la farmacología.
Accesorios para el Revelation III
Contraste de Fase/Campo Oscuro
Los equipos de contraste de fase y campo oscuro son fáciles de usar y
económicos.
Los juegos de fase de 10X, 40X, o 100X están disponibles para compra individual.
Fritz Zernike
Nació el 16 de julio de 1888 y murió el 10 de
marzo de 1966.
Empezó sus estudios en química en 1905 en la
Universidad de Ámsterdam. Obtuvo su
maestría en Química en 1912. Se doctoró en
1915 con la tesis “L’opalescence critique,
thèorie et experiments”. Fue profesor de
matemáticas y física técnica y mecánica teórica
en la universidad de Groningen .
Obtuvo grandes logros académicos, el más
significativo fue el premio Novel de Física, en
1953, por su invento del microscopio de
contraste de fase.
1. E. Hecht, “Optics”, Second edition
2. R. Guenther, “Modern Optics”
3. Goodman, “Introduction to Fourier Optics”, Second edition
4. David Sanchez-de-la-Llave, M. David Iturbe-Castillo, and
Carlos G Trevino-Palacios. Phase Contrast technique: a
broader approach.
5. M. D. Iturbe Castillo, D. Sánchez-de-la-Llave, R. Ramos
García, L. I. Olivos-Pérez, L. A. González, M. Rodríguez-Ortiz.
“Real-time self-induced nonlinear optical Zernike-type filter in a
bacteriorhodopsin film”. Opt. Eng. 40, 2367-2368 (2003).
Referencias
¡Gracias por su atención!