NCN PRELUDIUM

NCN Preludium 8 – Juan Martinez Carranza juan2

Nowe podejście do jednowiązkowych technik uzyskiwania fazy z oświetleniem częściowo koherentnym:

W ostatnich latach techniki uzyskiwania fazy oparte na Równaniu Transportu Intensywności (Transport of Intensity Equation, TIE) okazało się praktycznym narzędziem uzyskiwania fazy obiektów quasi-fazowych. Metody te są regularnie wykorzystywane w szerokiego zakresu długości fal, zaczynając na promieniowaniu optycznym, a kończąc na promieniowaniu rentgenowskim. Techniki te wymagają jedynie serii intensywności zebranych wzdłuż osi optycznej w celu odzyskania informacji fazowej. Algorytmy rekonstrukcji TIE zapewniają wysoką odporność na drgania mechaniczne. Jednakże, główną wadą stosowania technik opartych na TIE jest wymaganie wysokiego stosunku sygnału do szumu (signal-to-noise ratio, SNR).

Zadaniem tego projektu jest opracowanie nowatorskiej metodologii dla technik TIE wykorzystujących oświetlenie częściowo koherentne (Partially Coherent Ilumination, PCI). W założeniach, metodologia ta przyczyni się do podniesienia SNR podczas zbierania danych. Przełomem dla rozwiązania problemu okazało się wykorzystanie częściowo koherentnego, modulowanego oświetlenia (Partially Coherent Modulated Object Illumination, PCMOI), pozwoliło to na 1) zbieranie jedynie pożądanego zakresu spectrum częstości przestrzennych, oraz 2) całkowite pozbycie się szumu plamkowego, a w konsekwencji zmniejszenie występowania nisko częstotliwościowych artefaktów (Low Frequency Artifacts, LFA), które stanowiły główne objawy błędów w uzyskiwanych z algorytmów TIE informacjach fazowych. Wykonane badania poświęcone są: optymalizacji funkcji koherencji wiązki oświetlającej w zastosowanej strategii doboru nierówno odległych płaszczyzn akwizycji danych, oraz rozwojowi algorytmów odzyskiwania informacji fazowej, opartych na TIE. Optymalizacja i rozwój algorytmów odzyskiwania informacji fazowej oparty będzie na ekstrakcji poszczególnych częstości przestrzennych, jedynie z płaszczyzn akwizycji w których błąd jest najmniejszy. W ten sposób tłumienie LFA z informacji fazowych będzie przeprowadzane wydajnie, bez stosowania technik regularyzacyjnych. Zaproponowana metodologia ma za zadanie uzyskanie dokładnych rekonstrukcji fazowych, poprzez stosowanie nierówno odległych płaszczyzn akwizycji danych, oraz przez zastosowanie obrazowania z oświetleniem częściowo koherentnym.

NCN Preludium 8 – Maciej Trusiak

Nowoczesne polowe metody metrologii optycznej umożliwiają nieinwazyjne, bezkontaktowe, dokładne, szybkie badania statycznych i dynamicznych obiektów/zjawisk od nano do makro skali, z jednoczesną akwizycją i przetwarzaniem danych z całego pola pomiarowego. Informację o wielkości mierzonej (np. kształcie 2D/3D, rozkładzie współczynnika załamania, przemieszczeniach, amplitudzie drgań etc.) otrzymujemy zakodowaną w rozkładzie fazy i/lub amplitudy wyjściowego rozkładu intensywności zwanego obrazem prążkowym. Do wyznaczenia rozkładu fazy/amplitudy wykorzystuje się metody automatycznej analizy obrazów prążkowych (AAOP), których skuteczność definiuje niepewność uniwersalnych i szeroko stosowanych optycznych metod pomiarowych.

Celem badań jest zwiększenie dokładności istniejących optycznych metod pomiaru poprzez zaawansowanie rozwiązań algorytmicznych stosowanych do analizy danych pomiarowych. Proponujemy osiągnąć poprawę wydajności, funkcjonalności i skuteczności metod metrologii optycznej bez uciekania się do rozbudowy części aparaturowej, która jest obiecującym kierunkiem, ale kosztownym i czasochłonnym. We wnioskowanym projekcie planuje się rozwój adaptacyjnych algorytmów AAOP wykorzystujących transformację Hilberta-Huanga (HHT), które niemal „inteligentnie” dopasowują sposób swojego działania do aktualnie analizowanych danych, bez założeń a priori. Implementacja i modyfikacja nowatorskich rozwiązań algorytmicznych zaoferuję nową jakość w AAOP w zakresie filtracji obrazów prążkowych i odzyskiwania informacji o wielkości mierzonej zakodowanej w postaci rozkładów fazy i amplitudy obrazu. Nowatorskie metody obliczeniowe umożliwią demodulację pojedynczego obrazu prążkowego ze zwiększoną dokładnością i skutecznością w porównaniu z klasycznymi rozwiązaniami algorytmicznymi (np. jednoramkowa transformacja Fouriera czy wieloramkowa metoda czasowej dyskretnej zmiany fazy).

Hipotezy badawcze obejmują: (1) rozwój innowacyjnych metod wykorzystujących HHT w celu pogłębienia stanu wiedzy z zakresu adaptacyjnych technik przetwarzania danych oraz badania podobieństw i różnic między tym podejściem a iteracyjną liniową filtracją Gaussowską; (2) teoretyczne i doświadczalne badania procesu rekonstrukcji w holografii cyfrowej z wykorzystaniem jednoramkowego algorytmu HHT do zwiększenia efektywności demodulacji fazy hologramów (porównanie z najczęściej używaną wieloramkową klasyczną metodą czasowej dyskretnej zmiany fazy); (3) numeryczna i eksperymentalna analiza możliwości zwiększenia dokładności jednoramkowej demodulacji zespolonego pola przedmiotowego (jego fazy i amplitudy) w mikroskopii holograficznej i optycznej tomografii dyfrakcyjnej z wykorzystaniem opracowanych rozwiązań algorytmicznych opartych na HHT (porównanie z najczęściej stosowaną klasyczną metodą transformacji Fouriera); (4) badania wpływu filtracji z zastosowaniem algorytmów HHT na zmniejszenie systematycznego i przypadkowego błędu wyznaczania subpikselowych przemieszczeń popularną i atrakcyjną metodą cyfrowej korelacji obrazu.

Zastąpienie klasycznych schematów analizy nowatorskimi automatycznymi rozwiązaniami algorytmicznymi wykorzystującymi adaptacyjną transformację Hilberta-Huanga spowoduje zwiększenia dokładności, funkcjonalności i skuteczności optycznych pomiarów i wizualizacji struktur biologicznych i technicznych. Planowane badania w zakresie holografii cyfrowej, optycznej tomografii dyfrakcyjnej, mikroskopii holograficznej i cyfrowej korelacji obrazu będą pionierskimi pracami mającymi na celu teoretyczne i eksperymentalne potwierdzenie możliwości zmniejszenia ograniczeń oraz zwiększenia efektywności i niezawodności optycznego, nieinwazyjnego pomiaru z wykorzystaniem adaptacyjnej analizy danych. Proponowane jednoramkowe przetwarzanie idealnie nadaje się do monitorowania szybkozmiennych zjawisk – zagadnienie to stanowi bardzo duże wyzwanie. Wyniki badan planowanych w ramach projektu badawczego PRELUDIUM 8 w dziedzinie metrologii optycznej w naturalny sposób mogą znaleźć przełożenie na inne zagadnienia naukowe np. obrazowanie medyczne, geofizykę, rozpoznawanie obrazów, widzenie maszynowe, rzeczywistość wirtualną etc.

julka1

NCN Preludium 9 – Julianna Kostencka

Holografia zapewnia obserwatorowi wrażenie głębi (paralaksy) jednak nie jest zdolna do zobrazowania wewnętrznych struktur badanego obiektu, przez co jest często nazywana techniką obrazowania 2½D. Uzyskanie w pełni trójwymiarowego obrazu jest możliwe dzięki zastosowaniu tomografii holograficznej, której zasada działania jest analogiczna do klasycznej tomografii rentgenowskiej. W technice tej rejestrowana jest seria hologramów dla różnych położeń kątowych obracanej próbki. Następnie zebrane dane są przetwarzane numerycznie za pomocą wybranego algorytmu rekonstrukcji tomograficznej, czego wynikiem jest odtworzenie trójwymiarowego rozkładu współczynnika załamania. Niniejszy projekt ma na celu rozwój opisanej techniki tomografii holograficznej pod kątem przezwyciężenia jej dwóch słabości – niskiej rozdzielczości przestrzennej obrazowania oraz deformacji rekonstrukcji tomograficznej wynikającej z niedokładności mechanizmu realizującego obrót próbki. Cel ten jest osiągany poprzez wprowadzenie prostej modyfikacji do systemu tomograficznego, która polega na zastąpieniu konwencjonalnego, poosiowego sposobu oświetlenia próbki oświetleniem strukturalnym, tj. jednoczesnym oświetleniem dwiema wiązkami laserowymi rozchodzącymi się pod dużymi kątami w stosunku do osi optycznej. Zaproponowana modyfikacja pozwala osiągnąć tak zwany efekt nadrozdzielczości, który umożliwia pomiar drobnych szczegółów badanego obiektu. Ponadto, zastosowanie oświetlenia strukturalnego daje możliwość implementacji niezawodnego algorytmu śledzenia ruchu próbki, dzięki czemu możliwe jest przeprowadzenie dokładnej numerycznej korekcji błędów obrotu. Zaproponowana nowa technika umożliwia znaczną poprawę dokładności i rozdzielczości pomiarów trójwymiarowego rozkładu współczynnika załamania, przez co daje możliwość badania obiektów, które stanowią ogromne wyzwanie dla znanych obecnie techniki tomografii holograficznej. Przykładami dziedzin dla których opracowana metoda może okazać się mieć szczególne znaczenie są nieniszczące, biomedyczne badania struktur wewnątrzkomórkowych oraz pomiary elementów fotonicznych.

preludium-wk

NCN Preludium 9 – Wojciech Krauze

Nowa metoda wyznaczania trójwymiarowego rozkładu współczynnika załamania z projekcji obiektu zarejestrowanych w silnie ograniczonym zakresie kątowym:

Analiza pojedynczych komórek biologicznych podlegających działaniu różnych warunków i substancji farmakologicznych od lat stanowi podstawę rozwoju farmacji i medycyny. Do tej pory, podstawową metodą wykorzystywaną do obserwacji komórek była klasyczna mikroskopia optyczna, w której badana próbka obserwowana jest wzrokowo przez obiektyw mikroskopowy. Metoda ta daje jedynie przybliżoną informację o tym, jak poszczególne struktury komórki pochłaniają światło – informację o absorpcji. Z czasem sama informacja o absorpcji stała się niewystarczająca.

Celem tego projektu jest opracowanie nowej metody do pomiaru komórek biologicznych. Nowa metoda bazować będzie na dotychczasowych osiągnięciach z dziedziny tomografii optycznej. Pozwoli ona na zrekonstruowanie trójwymiarowego rozkładu współczynnika załamania komórek biologicznych umieszczonych bezpośrednio na szalce Petriego, na której są zwykle hodowane. Dodatkowo, opracowany zostanie algorytm obliczający trójwymiarowy rozkład współczynnika załamania z projekcji, które zarejestrowane są w ograniczonym zakresie kątowym.