Témavezető: Dr. Tőkés Szabolcs

Tanszék/Intézet: MTA SZTAKI: Celluláris Érzékelők és Optikai Hullámszárítógépek Kutatólaboratórium

Aberráció javításra használható numerikus lencsék vizsgálata

A kutatási téma néhány soros bemutatása

Kutatási témám a Digitális Holografikus Mikroszkópiában (DHM) is használható Numerikus Parametrikus Lencsék (NPL) vizsgálata. Az eddig használt mikroszkópokban drága, aberrációmentes objektíveket használtunk. Ezt szeretnénk kicserélni olcsóbb, így rosszabb minőségű optikai elemekre, amik különböző aberrációkat (leképezési hibákat) visznek a rendszerbe. Az én feladatom ezen aberrációk kompenzálása különböző mikroszkóp elrendezések esetén.

A kutatóhely rövid bemutatása

Az MTA SZTAKI Celluláris Érzékelők és Optikai Hullámszámítógépek Kutatólaboratóriumában folyik a kutatás. A sötétített, légpárnás asztallal ellátott optikai laboratóriumban van lehetőségem a pontos és rezgésmentes holografikus mérések és kísérletek elvégzéséhez. A szoftveres feldolgozást az Intézet infrastruktúrája segíti. Mindez az egyetemhez közel, jól megközelíthető környezetben található.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

Laborunk már néhány évvel az én belépésem előtt nekikezdett egy automatikus, vízbiológiai mérésekre alkalmas digitális holografikus mikroszkóp fejlesztésébe. Az eljárás lényege, hogy a hagyományos mikroszkópiával ellentétben nem egy fényképet készítünk a tárgyról, hanem egy hologramot, melyből a tárgy numerikus módszerekkel rekonstruálható. Ezzel lényegesen megnő a mikroszkóp mélységélessége, a lézerrel átvilágított térfogat síkjait kaphatjuk vissza, így az egyes síkokban lévő objektumok detektálása és szoftveres feldolgozása (felismerés, osztályozás) lehetséges. A mikroszkóp jelenleg vízben lévő algák vizsgálatára alkalmas, kutatások folynak egyéb alkalmazásokra is (pl. szaruhártya, idegsejt-tenyészet). A mikroszkóp megvalósításához először elméleti megfontolások szükségesek, majd ezek alapján szimulációk végzése után kerül sor a kísérleti berendezések megépítésére és azok vizsgálatára. Minden probléma felmerülésekor hasonló folyamat történik. Az én specifikus kutatási területem akkor jelent meg, amikor a prototípus piacra kerülése után a berendezés árának csökkentését tűztük ki célul. Ennek egyik módja a drága, korrigált objektívek olcsóbb, nem korrigáltra való cseréje. Az ily módon szerzett tapasztalatok a későbbiekben bármilyen optikai rendszer használatakor hasznosak lehetnek. Itt jegyzem meg, hogy ez a specifikus kutatási terület a Fizikus MSc. képzéshez kiírt diplomatéma keretén belül kezdődött a 2011/12 tavaszi félévében.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

Kutatásom célja a digitális holografikus mikroszkópban használt optika aberrációjának kompenzálása numerikus lencsék segítségével. Erre léteznek ismert eljárások off-axis holografikus rendszerek esetén. Feladatom ezen eljárások alkalmazhatóságának vizsgálata több rekonstrukciós sík használatához, majd a módszer átültetése más on-axis és inline elrendezésekre. A már meglévő eredmények az off-axis rendszer előnyeit kihasználják, ami abban áll, hogy a rekonstrukció során a valós kép, az ikerkép és a nullad-rendű zaj, térben elkülönül egymástól. Ez lehetőséget ad a hologram Fourier-transzformáltjának frekvenciaszűrésére, mely után csak a valós képet tartalmazó tag kerül feldolgozásra. Így mérhető az egyes nyalábokon – tárgy és referencianyaláb – létrejött aberráció. Ez azonban nem használható fel on-axis és inline elrendezéseknél, így felmerül a kérdés, hogy hogyan lehet a kompenzálandó aberrációt jól megmérni, és mit kell változtatni az off-axis rendszer esetében használt módszeren, hogy működjön a másik két elrendezéssel is. Az első mérésekből kitűnt eredmények mutatják, hogy az eddig meglévő irodalom nem kellőképpen részletes, olyan közelítésekkel él, melyek a mi esetünkben nem feltétlenül alkalmazhatóak. Így szükségessé vált az elmélet újbóli megfontolása, átdolgozása és pontosítása is.

Módszerek

Mivel néhány hónapja kezdtem bele ebbe a kutatásba, ezért a használt módszerek még nem kiforrottak. A munkát a már meglévő szakirodalom megismerésével kezdtem, majd egy már korábban publikált kísérlet reprodukálásával [1] folytattam. Ehhez egy lényegében azonos rendszert építettem meg. Ezen a reprodukció sikeres volt, azonban a Colomb. et. al. [1] által használt módszer olyan közelítéssel él, mely a mi végső elrendezésünk esetén nem alkalmazható. A módszer lényege, hogy az aberrációk kompenzálásához egy ún. referenciahologramot használunk, ami nem tartalmazza a vizsgálandó tárgyat, így az optikai hullámok pusztán az aberrációtól származó torzulást mutatják. Ennek a hologramnak, az off-axis holografikus elrendezésből adódóan, a Fourier-transzformáltjában egy frekvenciaszűrés, majd az inverz Fourier-transzformáció elvégzésével megkaphatjuk a felvétel valós képet tartalmazó részét. Ugyanezt tesszük az eredeti, tárgyról készült hologram esetében. Ezt megszorozzuk a frekvenciaszűrt referenciahologram konjugáltjával. Az így nyert hologramot síkhullám terjesztéssel rekonstruáljuk. A keletkező kép az aberrációmentes valós kép. A módszerben a szorzó referenciahologram konjugáltja a numerikus parametrikus lencse (NPL). Mivel a NPL használata a hologramsíkban történik, ezért ilyen formán az aberrációkompenzáció csak az aberráció létrejöttének és a hologram felvételének helye között kialakult amplitúdó torzulás elhanyagolásával valósul meg, ugyanis [1]-ben az aberrációt a hologramsíkban pusztán fázisaberrációként kezelik. Esetünkben az aberrációt a lencse ( vagy mikroszkópobjektív) viszi a rendszerbe, ami a hologram felvételi síkjáig begyűrűzik az amplitúdóba is. Így meg kell vizsgálnunk, hogy valóban hogyan alakul az aberráció a mi esetünkben.

 

Eddigi eredmények

Mivel kutatásom nem nyúlik vissza hosszú időre, ezért az eredményeim kimerülnek a már publikált módszer reprodukálásának vizsgálatából, illetve annak tovább gondolása. Colomb et. al. [1] által leírt elmélet alapján in-line holografikus rendszer esetén maga az elrendezés biztosítja az aberrációmentességet. Ekkor azonban szükséges a korában említett közelítés. A kísérletek mutatják, hogy az in-line elrendezéssel külön aberráció javítás nélkül, és az off-axis elrendezéssel numerikus lencse használatával rekonstruált képek hasonló minőségű eredményt adtak. Ugyanakkor az off-axis elrendezéssel felvett, aberrációkompenzáció nélkül rekonstruált képek valóban torzulást mutattak. Lényeges eredmény, hogy az [1] cikkben leírt módszer jól alkalmazható több rekonstrukciós sík esetén, ahogyan az a közelítéssel élő elméletből várható volt. A kutatás következő lépése az elmélet átdolgozása közelítések nélkül, mely a mi végső elrendezésünkre is érvényes. Ezután az átdolgozott elmélet alapján a kísérleti módszer revideálás és annak vizsgálatára kerül sor.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

[1] T. Colomb, J. K¨uhn, F. Charri`ere and C. Depeursinge, ”Total aberrations compensation in digital holographic microscopy with a reference conjugated hologram,” Opt. Exp., Vol. 14, pages 4300-4306, 2006.