|
|
Coherence gated holographic microscopy
Ďuriš, Miroslav ; Tyc,, Tomáš (oponent) ; Baránek,, Michal (oponent) ; Chmelík, Radim (vedoucí práce)
Biomedical and metasurface researchers repeatedly reach for quantitative phase imaging (QPI) as their primary imaging technique due to its high-throughput, label-free, quantitative nature. Therefore, QPI has quickly established its role in identifying rare events and screening in biomedicine or automated image data analysis using artificial intelligence. These and many other applications share the requirement for extensive high-quality datasets, which is challenging to meet due to obstacles specific to each application. This thesis tackles the principal problems of optical imaging, mainly in biomedical research. The research aimed to study and develop new imaging methods by extending the capabilities of the coherence-controlled holographic microscope. In the thesis, we tackled three principal areas of biomedical imaging: turbid media imaging, super-resolution QPI, and 3D refractive index reconstruction. To achieve such ambitious results, we have utilized the so-called coherence-gating effect, typically exploited for imaging through disordered media by least-scattered (ballistic) light. To tackle turbid media imaging, we counterintuitively use the coherence gate for imaging by the non-ballistic light, enabling us to retrieve information missing in the ballistic image. A combination of images for different coherence gate positions allow us to synthesize an image of quality superior to ballistic light approaches, which we experimentally demonstrate on QPI through thick biological tissue. Two approaches to super-resolution QPI were explored in the thesis. First is the synthetic aperture approach, for which we again exploit the coherence-gating properties of the partially coherent light combined with the oblique illumination provided by the diffraction on a simple hexagonal phase grating placed near the specimen. We synthesize synthetic aperture QPI with significantly increased spatial frequency bandwidth from sequentially acquired images formed by the coherence-gated light scattered into each grating's diffraction order. Second, we developed the coherence gate shaping method allowing real-time super-resolution QPI. We propose an approach based on the fact that our system's point spread function (PSF) is a product of the diffraction-limited spot and the coherence-gating function, which we shape similarly to the superoscillatory hotspot. The product simultaneously produces the PSF with a super-resolution central peak and minimizes sidelobe effects, the common obstacle of superoscillatory imaging. The attenuation of sidelobes and resolution improvement co-occur in the entire field of view. Therefore, we present the first single-shot wide-field super-resolution QPI. For both methods, we achieved a resolution improvement of at least 19\%. Furthermore, we demonstrate the feasibility of the proposed methods by imaging biological specimens with super-resolution. In the thesis, we also address 3D imaging by the coherence-controlled holographic microscope. We developed a method for 3D refractive index distribution reconstruction from a z-stack QPI measurement. The reconstructed refractive index distribution has qualities similar to the outputs of optical diffraction tomography. At the same time, the required number of acquisitions is significantly lower in the case of the proposed method. We demonstrate our approach using simulated as well as experimental data.
|
|
|
Biophysical interpretation of quantitative phase image
Štrbková, Lenka ; Kozubek,, Michal (oponent) ; Hoppe, Andreas (oponent) ; Chmelík, Radim (vedoucí práce)
This work deals with the interpretation of the quantitative phase images gained by coherence-controlled holographic microscopy. Since the datasets of quantitative phase images are of substantial size, the manual analysis would be time-consuming and inefficient. In order to speed up the analysis of images gained by coherence-controlled holographic microscopy, the methodology for automated interpretation of quantitative phase images by means of supervised machine learning is proposed in this work. The quantitative phase images enable extraction of valuable features characterizing the distribution of dry mass within the cell and hence provide important information about the live cell behaviour. The aim of this work is to propose a methodology for automated classification of cells while employing the quantitative information from both the single-time-point and time-lapse quantitative phase images. The proposed methodology was tested in the experiments with live cells, where the performance of the classification was evaluated and the relevance of the features derived from the quantitative phase image was assessed.
|
|
| |
|
| |
|
|
Koherencí řízená holografická mikroskopie v opticky rozptylujících prostředích
Lošťák, Martin ; Komrska, Jiří (oponent) ; Šerý, Mojmír (oponent) ; Chmelík, Radim (vedoucí práce)
Předkládaná práce se zabývá zobrazováním přes difuzní prostředí v koherencí řízeném holografickém mikroskopu (CCHM) vyvinutém na Ústavu fyzikálního inženýrství v Brně. Je v ní uveden výpočet vzájemné koherence světla v mikroskopu, výpočet signálu v závislosti na vzájemném laterálním posuvu obou větví a vzájemná souvislost obou výsledků. Poslední zmíněný výpočet je navíc podroben ověřovacím experimentům. Pomocí jednoduchého geometrického modelu je zde vysvětlen princip zobrazení v CCHM přes difuzní prostředí balistickým i difuzním světlem a je doplněn příslušnými potvrzujícími experimenty. Na tento model dále navazují teoretické výpočty rozptylové funkce bodu (PSF) pro zobrazení přes difuzní prostředí. Výsledek modelu je potvrzen experimentem.
|
|
|
Programovatelná osvětlovací soustava pro optický mikroskop
Lošťák, Martin ; Křupka, Ivan (oponent) ; Chmelík, Radim (vedoucí práce)
Programovatelná osvětlovací soustava (POS) využívá komerční dataprojektor a vhodnou optickou přenosovou soustavu za účelem osvětlení vzorku v optickém mikroskopu procházejícím světlem. Teoretická část diplomové práce se věnuje metodám osvětlení v optické mikroskopii pro osvětlení na průchod, jež využívají vkládání optomechanických členů do předmětové ohniskové roviny kondenzoru. Jsou to jak metody klasické, které zvyšují kontrast (metoda temného pole), případně rozlišení obrazu (metoda šikmého osvětlení), tak metoda rotující apertury kondenzoru, která poskytuje 3-D informaci o vzorku. Dále je zde uvedena teorie a základní rozdělení osvětlovacích soustav pro osvětlení vzorku na průchod. Na tuto část navazuje vlastní optický a mechanický návrh optické přenosové soustavy pro POS. V experimentální části jsou uvedeny výsledky zobrazení, kterých bylo dosaženo s dvěma různými uspořádáními POS. Na dvou různých vzorcích bylo ukázáno, že pomocí POS je možné vytvořit stejné osvětlení jako metodami klasickými. Bylo prokázáno, že POS lze nahradit rotující mechanickou aperturu kondenzoru, a získat tak 3-D informaci ze vzorku. Byly představeny některé nové statické i dynamické metody osvětlení.
|
|
|
Fresnelova nekoherentní korelační holografie (FINCH)
Bouchal, Petr ; Zemánek, Pavel (oponent) ; Chmelík, Radim (vedoucí práce)
Diplomová práce se zabývá studiem Fresnelovy nekoherentní korelační holografie, v literatuře známé pod akronymem FINCH (Fresnel Incoherent Correlation Holography). Princip metody umožňuje vytvoření holografického korelačního záznamu při použití kvazimonochromatického, prostorově nekoherentního osvětlení a následnou trojrozměrnou numerickou rekonstrukci zaznamenaného objektu. Systém s výhodou využívá jednoduché experimentální sestavy, vybudované na jednocestném Michelsonově interferometru. Metoda FINCH úspěšně kombinuje prvky klasické a digitální holografie a využívá pokročilých experimentálních technik, ve kterých je vznik interferujících svazků zprostředkován prostorovým modulátorem světla, dynamicky ovládaným pomocí elektrooptického jevu. Diplomová práce prezentuje nový matematický model metody FINCH umožňující intuitivní pochopení optické a digitální fáze zobrazení a popis základních zobrazovacích parametrů. Tento model je následně využit při optimalizaci systému z hlediska požadovaných nároků na obrazový výkon a při demonstraci rozlišení pod Rayleighovou difrakční mezí. V rámci teoretické a experimentální činnosti jsou detailně studovány korelační režimy záznamu a rekonstrukce objektu, objasněny projevy kvazimonochromatického světla a stanoven limit pro přípustnou koherenční délku zdroje. V experimentální části diplomové práce jsou ověřeny dosud známé konfigurace FINCH a zkoumána kvalita rekonstrukce optických testů i reálných preparátů. Významným přínosem diplomové práce je teoretický návrh a experimentální ověření zcela nového režimu zobrazení, které pracuje s vírovou impulzní odezvou a umožňuje spirální zvýraznění kontrastu hrany trojrozměrných amplitudových objektů při použití prostorově nekoherentního světla.
|
|
|
Coherence-gate assisted three-dimensional imaging by holographic microscope
Maršíková, Barbora ; Heintzmann, Rainer (oponent) ; Chmelík, Radim (vedoucí práce)
This master thesis covers the primary research on the influence of spatially incoherent illumination on the axial localization of small details in a three-dimensional sample. The imaging is done by the coherence-controlled holographic microscope (CCHM). The necessary theory of imaging and scattering is summarized in the theoretical part. The fundamental principle as well as the actual setup of the microscope is described in detail and a mechanical adaptation is designed for the use of condenser optics with high numerical aperture and low aberration. For the experimental part, a model sample has been prepared and measured. The relationship between the spatial incoherence of illumination and the axial localization is demonstrated on simulations and verified experimentally using the model sample. The experiments prove the basic idea of the theory. In the end, some improvements are suggested for the future research on this topic.
|
|
|
Vývoj biofyzikální interpretace dat kvantitativního fázového zobrazování
Křížová, Aneta ; Jákl, Petr (oponent) ; Vomastek, Tomáš (oponent) ; Chmelík, Radim (vedoucí práce)
Doktorská práce se zabývá biofyzikální interpretací dat kvantitativního fázového zobrazování (QPI – quantitative phase imaging) získaného pomocí koherencí řízeného holografického mikroskopu (CCHM – coherence-controlled holographic microscope). V práci jsou nejprve popsány metody vyhodnocující informace z QPI jako analýza tvarových a dynamických cha-rakteristik segmentovaných objektů a také vyhodnocování samotné fázové informace. Dále je navržena metoda dynamických fázových diferencí (DPD – dynamic phase differences), která umožňuje detailněji sledovat přesuny hmoty uvnitř buněk. Všechny uvedené metody jsou pak využity v biologických aplikacích. V rozsáhlé studii různých typů buněčných smrtí jsou informace z QPI porovnány s daty z průtokové cytometrie a s výhodou je využita kombinace QPI a fluorescenční mikroskopie. Metoda DPD je pak využita při studiu přesunů hmoty uvnitř buňky při osmotických jevech. Zjednodušená metoda DPD je aplikována při výzkumu mechanizmu pohybu nádorových buněk v kolagenových gelech.
|
|
|
Koherencí řízený holografický mikroskop ve výzkumu životního cyklu buňky
Bartoníček, Jan ; Chmelík, Radim (oponent) ; Uhlířová, Hana (vedoucí práce)
Předmětem bakalářské práce je pozorování živých buněk v transmisním holografickém mikroskopu vyvinutém na ÚFI VUT a porovnání této zobrazovací metody s mikroskopem s fázovým kontrastem. Úvodní část je věnována základnímu popisu použitých zobrazovacích technik a biologii buňky. Následuje popis přípravy experimentů. V části věnující se analýze dat je popsána metoda dynamických fázových diferencí a navržena metoda sledování růstu. Obě metody byly použity pro analýzu experimentů popsaných v poslední části práce. Experimenty byly zaměřeny na získání časosběrných dat zachycujících buněčný cyklus a zejména mitosu.
|
host ::
RSS.