HoloTomo4D (Zakończony)

Tytuł projektu: Szybka cyfrowa mikroskopia holograficzna i tomograficzna z dynamiczną modulacją oświetlającego frontu falowego.

Źródło finansowania: Projekt w ramach programu OPUS9 Narodowego Centrum Nauki
Okres realizacji: 24.02.2016 – 23.02.2020
Kierownik na PW: prof. dr hab. inż. Tomasz Kozacki


Cel prowadzonych badań/hipoteza badawcza: 

Głównym celem naukowym projektu jest opracowanie nowatorskich, szybkich technik pomiarowych cyfrowej mikroskopii holograficznej (ang. digital holographic microscopy, DHM) i tomograficznej (ang. digital holography tomographic microscopy, DHTM) wykorzystujących dynamiczną modulację czoła fali. Metody te umożliwią obrazowanie z rozszerzoną głębią ostrości oraz pomiary topografii, grubości struktur 3D/4D, rozkładu współczynnika załamania 4D (czas + 3D) ze zwiększoną dokładnością, rozdzielczością 3D oraz w zwiększonym zakresie pomiarowym.

Zastosowana metoda badawcza/metodyka:

Wszystkie mikroskopowe oraz tomograficzne naukowe wyzwania projektu są oparte na DHM wykorzystującym dynamiczną modulację frontu falowego wiązki oświetlającej. DHM pozwala na ilościowe pomiary fazy. Niestety DHM, jako technika interferencyjna ma szereg wad: 1) bardzo niski jednoznaczny zakres pomiarowy (JZP), 2) niska dokładność lokalizacji płaszczyzny obrazu. Dla zaadresowania wyzwania 1, w HoloTom4D zostanie opracowana metoda pomiaru kształtu i grubości o znacznie zwiększonym JZP, która ponadto nie wymaga znajomości punktu referencyjnego. Metoda będzie bazować na zależnościach współfazowych między wieloma hologramami zarejestrowanymi przy różnej modulacji oświetlenia. W celu optymalizacji metody i zapewnienia wysokiej dokładności pomiarowej zostaną rozpatrzone zagadnienia optymalizacji metod doboru funkcji modulacji oraz analizy ograniczeń związanych z szumem. Uważa się, że dokładność określania płaszczyźnie odwzorowania (problem 2) jest efektem silnie ograniczonego zakresu przenoszonych częstotliwości przestrzennych 3D w DHM. Jednak jest to prawdą, jedynie dla płaskich obiektów oraz charakteryzujących się pełnym pokryciem zakresu częstotliwościowego systemu DHM. Dlatego też dokładność lokalizacji płaszczyzny obrazu jest zależna od parametrów badanego przedmiotu i zazwyczaj jest bardzo niska. Problem ten zostanie rozwiązany przez: zwiększenie zakresu pokrycia częstotliwościowego; wykorzystanie współzależności fazowych oraz stosując sztucznie skonstruowany hologram częściowo koherentny. Jest oczekiwane, że ostatnie dwa rozwiązania pozwalą osiągnąć znaczną poprawę lokalizacji płaszczyzny obrazowania. Dla opracowania powyższych rozwiązań kluczowym są dokładne metody wyznaczania kształtu. Jedno z wyzwań projektu koncentruje się na zaproponowaniu metody pomiaru topografii i grubości, która nie wymaga wiedzy o płaszczyźnie obrazowania. Rozwiązania tomograficzne projektu są nakierowane na rozwój potencjału badawczego metod tomograficznych umożliwiających dynamiczne obrazowanie rozkładu współczynnika załamania 3D. Zadania eksperymentalne związane z tą tematyką będą należeć do najbardziej wymagających praktycznych wyzwań projektu. Istotny rozwój techniki DHTM w HoloTomo4D zostanie uzyskany dzięki zaproponowaniu nowatorskich i kompleksowych rozwiązania tomograficznych (systemy + algorytmy) wykorzystujących: 1) rozwiązanie tomograficzne 4D z multipleksowaniem przestrzennym dla obrazowania 4D obiektów dynamicznych 2) opracowanie koncepcji tomograficznej bazującej na poprzecznym przesuwie badanego przedmiotu oświetlonego wysokoaperturową falą sferyczną. W celu uzyskania obrazowania 4D zostanie opracowanych szereg algorytmów rekonstrukcji tomograficznej uwzględniających efekt dyfrakcji (przybliżenia Borna, Rytova), w tym dla skanującej wiązki płaskiej i sferycznej. Układ tomograficzny z wiązką sferyczną jest interesującą nowością ze względu na prostszą konstrukcję. Naukowe wyzwanie obrazowania dynamicznego 4D zostanie osiągnięte dzięki opracowaniu nowych iteracyjnych algorytmów rekonstrukcji tomograficznych pozwalających na uzyskanie wysokiej jakości rekonstrukcji tomograficznej 3D dla minimalnej liczby zarejestrowanych obrazów. Aby zminimalizować efekt wpływu brakujących komponentów częstotliwościowych planujemy zastosować dwa główne podejścia: 1) rozplot (deconvolution) 3D oraz 2) algorytmy iteracyjne wykorzystujące dokładne metody symulacji rozpraszania przez struktury 3D. W tym celu, zostaną opracowane nowe, szybkie, dokładne oraz pozaosiowe metody symulacji zjawiska rozpraszania fal na strukturach 3D. Uważa się, że zaproponowane rozwiązanie umożliwi uwzględnienie sprzęgania fal gasnących w strukturach 3D, co stanowiłoby istotny postęp dla metod symulacji propagacji.

Wpływ spodziewanych rezultatów na rozwój nauki, cywilizacji, społeczeństwa:

Rozwiązania proponowane w projekcie są nowatorskie i powinny zostać docenione przez społeczność międzynarodową (optyczną i nie tylko), gdyż pozwolą na znaczny rozwój potencjału technik obrazowania 2½D (DHM) i 3D (DHTM). Dzięki nowym możliwościom pomiarowym obie techniki będą miały swój wkład w rozwój nauk biologicznych i mikrotechnologii. Ponadto wyniki naukowe projektu umożliwią dynamiczne badania rozkładu współczynnika załamania 3D, co jest szczególnie ważne w badaniach medycznych. Obecnie tego typu badania są prowadzone jedynie przez najsilniejsze grupy na świecie (USA, Korea, Francja, Szwajcaria). Zaproponowane konkurencyjne rozwiązania HoloTomo4D charakteryzują się uproszczoną konstrukcją, która potencjalnie umożliwi zwiększenie dostępności technik obrazowania 3D mikrostruktur oraz procesów dynamicznych.