|
|
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.
|
|
|
Simulations of light scattering from living cells
Vengh, Martin ; Richter, Ivan (oponent) ; Petráček, Jiří (vedoucí práce)
The master's thesis deals with the scattering of electromagneticc waves from a living cell using the finite-difference time-domain method (FDTD), the Born approximation and the Rytov approximation. FDTD is full wave method that gives accurate results in wide variety of scattering problems. The comparison of the Born aproximation and the Rytov aproximation is presented via FDTD method. Next part of my thesis includes a short description of coherence-controlled holographic microscope (CCHM). The final part deals with the imaging of the scattered field via simulation of object arm of CCHM, using results of the Born approximation, Rytov approximation and FDTD method.
|
|
|
Optimalizace optické pinzety pro multimodální holografický mikroskop
Vaverka, Jan ; Antoš, Martin (oponent) ; Dostál, Zbyněk (vedoucí práce)
V bakalářské práci byla popsána funkce interferenčních mikroskopů s bližším rozborem multimodálního holografického mikroskopu (MHM), který byl zkonstruován v Ústavu fyzikálního inženýrství (ÚFI) Vysokého učení technického v Brně. Dále byl rozebrán princip optické pasti a blíže byly popsány silové účinky na zachycený objekt s charakteristickým rozměrem větším než vlnová délka zachycujícího svazku. Byla navržena optimalizace existujícího modulu optické pinzety tak, aby byl modul připojitelný k prototypu MHM umístěnému na ÚFI. Byla provedena simulace a optimalizace optické sestavy modulu a byl vytvořen mechanický návrh modulu s výkresovou dokumentací. Modul byl zadán do výroby.
|
|
|
Příznaky pro analýzu a klasifikaci buněk ve snímcích z holografického mikroskopu
Navrátilová, Markéta ; Kolář, Radim (oponent) ; Vičar, Tomáš (vedoucí práce)
Tato bakalářská práce se zabývá problematikou příznaků používaných při analýze snímků buněk pořízených holografickým mikroskopem a pro jejich klasifikaci. Popisuje jednotlivé příznaky, stejně tak jako nástroje pro klasifikaci. Příznaky jsou extrahovány na dodaných nasegmentovaných buňkách v programovém prostředí Matlab. Na základě těchto příznaků jsou buňky klasifikovány s využitím metody podpůrných vektorů. Pomocí metod pro shlukování a redukci dimenzionality je analyzován výskyt různých buněčných typů. Zároveň je zhodnocena účinnost a využitelnost jednotlivých příznaků.
|
|
|
Detection of cellular processes in image sequences
Hatrinh, Hung Anh ; Richter, Miloslav (oponent) ; Petyovský, Petr (vedoucí práce)
This bachelor’s thesis deals with cell segmentation and detection of cellular processesin quantitative phase images obtained by a Coherence-controlled holographic microscope (CCHM). A cell segmentation algorithm based on edge detection and watershed segmentation was designed and implemented in the programming language C++ using OpenCV library. For detecting cellular processes, machine learning methods were proposed and implemented in MATLAB®.
|
|
|
Konfokální modul pro koherencí řízený holografický mikroskop
Kubátová, Eva ; Kozubek, Michal (oponent) ; Dostál, Zbyněk (vedoucí práce)
Koherencí řízený holografický mikroskop (CCHM) byl vyvinut na VUT v Brně pro kvantitativní fázové zobrazování živých buněk. V dnešní době dochází k vylepšování jeho zobrazovacích možností pomocí přídavných modulů. V současnosti je vybaven epifluorescenčním modulem, který umožňuje pozorování fluorescenčně značených živých buněk. Tato práce naváže na vývoj tohoto modulu a rozšíří jeho možnosti o konfokální zobrazení. Nevýhodou současných vícekanálových konfokálních mikroskopů je mechanická rotace Nipkowových disků, které způsobující nežádoucí mechanické vibrace. Proto je v práci nahrazen DMD čipem. Pro jeho využití je navržen optický systém celého konfokálního modulu, jehož správná funkce byla nasimulována v optickém CADu. Experimentálně ověřený prototyp slouží k testování zobrazovacích vlastností. Na jeho základě je navržena aplikační idea fluorescenčního konfokálního modulu, který bude možné připojit k CCHM mikroskopu.
|
|
|
Justážní kolimátor pro Fluorescenční holografický mikroskop
Hlaváčová, Kateřina ; Jákl, Petr (oponent) ; Dostál, Zbyněk (vedoucí práce)
Pro správné fungován Fluorescenčnho holografického mikroskopu je nutné jeho vhodné seřzen, tedy proveden justáže všech optických komponent, které jsou v něm usazeny. Nejen u tohoto mikroskopu, ale také u Koherenc řzeného holografického mikroskopu, je přesná justáž velice kritickou podmnkou správného zobrazován. Proto je potřeba pro tyto mikroskopy vytvořit justážn kolimátor, pomoc kterého je možno oba přstroje seřdit. V teoretické části práce je zmněna historie vzniku interferenčn a holografické mikroskopie, z jejichž principů flourescenčn holografická mikroskopie vycház. Také je zde sepsáno dosavadn poznán týkajc se kolimátorů využvaných pro vytyčován přmek a jejich využit v praxi. Součást práce je optický návrh kolimátoru, jeho konstrukčn návrh a realizace. Pro použván kolimátoru v praxi byl vytvořen software pro detekci černého záměrného křže. Ten pomáhá při vyhodnocen správnosti seřzen justovaného přstroje. Uvedeny jsou také popisy justáže vlastnho kolimátoru a Flourescenčnho holografického mikroskopu, které jsou nezbytné pro správnou manipulaci a pro využit navrhovaného kolimátoru.
|
|
|
Měření rozložení ekvivalentu suché hmoty buňky kvantitativním fázovým kontrastem koherencí řízeného holografického mikroskopu
Kovářová, Klára ; Čolláková, Jana (oponent) ; Křížová, Aneta (vedoucí práce)
Předmětem bakalářské práce je vypracování rešerše k přepočtům fáze na hodnoty suché hmoty a provedení experimentů ověřující význam suché hmoty. Teoretická část pojednává nejdříve o historii holografické mikroskopie a vývoji holografie na ÚFI FSI VUT v Brně. Dále se zabývá transmisním holografickým mikroskopem. Je zde uveden stručně jeho konstrukční popis a základní instrukce pro práci s tímto mikroskopem. Poté je v teoretické části pojednáno o významu obrazové fáze. Jsou zde uvedeny dva přístupy k interpretaci fázového zpoždění a také je zde vypracována rešerše k přepočtům fáze na suchou hmotu buňky (podle H. G. Davies a M. H .F. Wilkinse, G. Popescua, G. Dunna a D. Zichy). V experimentální části je nejdříve popsána kultivace buněk, poté příprava vzorku pro pozorování a následně zpracování dat. Druhá polovina experimentální části je zaměřena přímo na provedené experimenty. Ve všech experimentech byly pozorovány buňky K2 (plné označení LW13K2). Nejdříve byla pozorována nutriční deprivace buněk a poté buněčný růst.
|
|
|
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.
|
|
|
Vláknový osvětlovací modul pro mikroskopii
Kropáč, Vlastimil ; Kvasnica, Lukáš (oponent) ; Dostál, Zbyněk (vedoucí práce)
Tato diplomová práce se zabývá návrhem osvětlovacího systému pro koherencí řízený holografický mikroskop (CCHM). V teoretické části je zmíněna historie mikroskopie, princip holografie a jednotlivé druhy interferenční mikroskopie. Pro přiblížení daného tématu, jsou v práci zmíněny jednotlivé zdroje světla a přehled současných osvětlovacích systémů. Diplomová práce dále popisuje postup návrhu vláknového osvětlovacího modulu pro mikroskopii od optického návrhu, přes návrh konstrukce až na poslední krok, kterým je sestavení a otestování modulu.
|
host ::
RSS.