Korelační a digitální zobrazování

Zobrazování s podporou prostorové modulace světla

Zobrazovacím metodám je v optice tradičně věnována zvýšená pozornost. V současné optice se v této oblasti objevují nové trendy, které mají úzkou vazbu na pokročilé optoelektronické technologie a rostoucí možnosti informatiky. V návaznosti na předchozí výzkumné aktivity je na katedře optiky hlavní pozornost věnována zobrazovacím metodám založeným na použití technologie prostorové modulace světla (PMS) a digitálním metodám, které umožňují rekonstrukci obrazu z holografických záznamů pozorovaného objektu.

Spirální fázový kontrast

Princip metody
Metoda spirálního kontrastu byla navržena na University Innsbruck v roce 2005 pro zobrazování transparentních objektů v mikroskopii. Princip metody spočívá v modulaci prostorového spektra pozorovaného objektu spirální fázovou maskou. Modulace se provádí ve standardní 4-f konfiguraci, spirální maska se realizuje pomocí PMS, případně fotolitograficky. Biologické objekty často plně propouštějí světlo a od okolního prostředí se liší jen indexem lomu. Takové fázové objekty nemohou být pozorovány pomocí tradičních zobrazovacích metod založených na přímé detekci intenzity. Spirální modulací spektra dochází k tomu, že změna fáze (gradient fáze) přechází na změnu intenzity. Ve srovnání se Zernikeovou metodou má spirální metoda vyšší kontrast a umožňuje zvýraznění hran u fázových i amplitudových objektů. Další výhodou je možnost anizotropního fázového kontrastu, při kterém je možné určit preferovaný směr zvýšení kontrastu hrany v zaznamenaném obrazu. Zřejmě nejvýznamnější předností je možnost kvantifikace fázových změn objektu.

Výzkum na katedře optiky
Na katedře optiky jsou ověřovány základní principy spirálního zobrazování a testován jeho aplikační potenciál. Prvním významnějším příspěvkem je identifikace, teoretické objasnění a experimentální ověření rotace bodové rozptylové funkce (PSF - Point Spread Function), ke které dochází posuvem předmětu nebo detektoru při vhodně zvolené diskretizaci fázových úrovní spirálního filtru. Defokusací indukovaná rotace PSF je v mikroskopii ceněna pro možnost přesného určení podélné pozice pozorovaného objektu.

Digitální zobrazování metodou FINCH (Fresnel INcoherent Correlation Holography)

Princip metody
FINCH je perspektivní zobrazovací metodou, která byla navržena v roce 2007 na John Hopkins University. Její základ tvoří spojení principů klasické holografie s metodami PMS a numerickými metodami rekonstrukce obrazu užívanými v digitální holografii. Atraktivita metody spočívá v tom, že umožňuje digitální 3D rekonstrukci pozorovaných objektů s použitím kvazi-monochromatického, prostorově nekoherentního světla. Současný výzkum je soustředěn na využití v mikroskopii, potenciál metody je ale mnohem širší.

Výzkum na katedře optiky
Metoda FINCH je na katedře optiky zkoumána od roku 2009 v úzké spolupráci s Ústavem fyzikálního inženýrství VUT v Brně. Původní výsledky výzkumu lze shrnout následovně:

• Byl vytvořen model metody, který poskytuje novou interpretaci rekonstrukce a umožňuje stanovit PSF platnou pro experimentální i digitální fázi FINCH zobrazení.
• Byla provedena teoretická a experimentální analýza příčného a podélného rozlišení systému.
• Byla provedena optimalizace parametrů experimentu, při kterých je dosaženo maximální rozlišení (na rozdíl od klasického zobrazení lze difrakčně limitované rozlišení ovlivnit pozicí detektoru).
• Byl prokázán koherentní režim digitální rekonstrukce obrazu při použití prostorově nekoherentního světla pro holografický záznam objektu.
• Byl navržen výpočetní model a realizován experiment, který prokazuje rozlišení detailů pozorovaného objektu pod Rayleighovou mezí použité optiky.

Aktuální stav výzkumu naznačuje, že existuje široký prostor pro další rozvoj metody FINCH a to jak z hlediska základních principů, tak i experimentálních variant. V současné době se zaměřujeme na koherenční aspekty metody, které mají zásadní význam pro využití metody ve fluorescenční mikroskopii. Výzkum probíhá v kontaktu s autory metody FINCH J. Rosenem a G. Brookerem.

Kontakt pro zájemce o doktorské studium: prof. Z. Bouchal | bouchal@optics.upol.cz