 |
Ritka minták off-axis hologramjának gyors, nagy felbontású fázis rekonstrukciója.
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
124602 |
| típus |
K |
| Vezető kutató |
Orzó László |
| magyar cím |
Ritka minták off-axis hologramjának gyors, nagy felbontású fázis rekonstrukciója. |
| Angol cím |
High speed, high resolution phase retrieval of off-axis hologram of sparse samples. |
| magyar kulcsszavak |
Digitál holográfia, fázis visszaállítás |
| angol kulcsszavak |
digital holography, phase retrieval |
| megadott besorolás |
| Automatizálás és Számítástechnika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 50 % | | Ortelius tudományág: Automatizálás | | Fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 40 % | | Ortelius tudományág: Alkalmazott optika | | Számítástudomány (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 10 % |
|
| zsűri |
Informatikai–Villamosmérnöki |
| Kutatóhely |
HUN-REN Számítástechnikai és Automatizálási Kutatóintézet |
| résztvevők |
Földesy Péter
Kiss Márton
Tokés Szabolcs
|
| projekt kezdete |
2017-09-01 |
| projekt vége |
2020-02-29 |
| aktuális összeg (MFt) |
21.026 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
2.95 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Digitális holografikus mikroszkópiát sikeresen alkalmazzuk ritka minták elemzésére, mert akár százszor akkora térfogat vizsgálható vele, mint egy hagyományos mikroszkóppal. Erre eddig Gábor féle in-line architektúrát alkalmaztunk, de az ikerkép és nullad rendű tagok a rekonstruált objektumok képét syennyezik. A fázis visszaállítása, ami eltünteti ezeket a zajokat és az objektumok alakját is megmutatja, csak lassú, nagy Fresnel szám esetén nagyon lassú, iteratív eljárással valósítható meg. Off-axis hologramok esetén egyszerűbb a fázisrekonstrukció, mivel az objektum tag a frekvencia térben elválasztható a nullad rend és ikerkép tagoktól. De ekkor a szenzor felületének csak egy kis része vesz részt a rekonstrukcióban, így csökken a használható tér-sávszélesség szorzat. Korábban sikerült olyan algoritmust kidolgozni, ami egy rögzített in-line és egy off-axis hologram segítségével az in-line hologramnak megfelelő felbontású, de nagyon gyors, fázis visszaállításra képes. A kutatás célkitűzése olyan mérési elrendezés, algoritmus készítése, ami lehetővé teszi mindezt megoldani egyetlen off-axis hologram segítségével. Ehhez az off-axis hologramot szegmentálni kell egy in-line és off-axis objektum tagokra, és az algoritmust úgy kell módosítani, hogy az a szegmentáció hibáit kompenzálja. Célunk több egyszerre megfigyelt objektum esetére megoldani a rekonstrukciót. Olyan esetekben is, amikor az off-axis tagok ezt egyébként akadályozzák. Célunk más mérési elrendezések esetére is kiterjeszteni az algoritmusunk alkalmazhatóságát. Megvizsgáljuk milyen mérő elrendezéssel és algoritmikussal lehet elérni, a szövettenyészetben lévő sejtek fázis eloszlásának a hatékony rekonstrukcióját.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Digitális holográfia hatékony mérési módszert nyújt, mert segítségével a térfogatban bárhol jelen lévő objektum amplitúdó és fáziseloszlása elvileg visszakapható. Amennyiben egy Gábor féle in-line mérő architektúrát alkalmazunk, az objektumok képe és 3D-s pozíciója jól meghatározható, de az ikerkép és nullad rendű tagok a rekonstruált objektumok képét szennyezik. A fázis visszaállítása, ami eltünteti ezeket a zajokat és az objektumok alakját is megmutatja, lassú, nagy Fresnel szám esetén (ami a nagy felbontás feltétele) nagyon lassú, iteratív eljárással valósítható csak meg. Off-axis hologramok használatával egyszerűbb a fázisrekonstrukció, mivel az objektum tag a frekvencia térben elválasztható a nullad rendtől. De ekkor a szenzor felületének csak egy kis része vesz részt a rekonstrukcióban, így csökken a használható tér-sávszélesség szorzat. Sikerült olyan eljárást kidolgozni, ami egy in-line és egy off-axis hologram segítségével az in-line hologramnak megfelelő felbontású, de igen gyors, fázis visszaállításra képes. Viszont több felvétel szükségessége akadályozza a módszer alkalmazhatóságát pl. mozgó minták esetén. A kutatás célkitűzése olyan mérési elrendezés, algoritmus készítése, ami lehetővé teszi mindezt egyetlen off-axis hologram segítségével megtenni. Ehhez az off-axis hologramot szegmentálni kell egy in-line és off-axis objektum tagra, valamint úgy kell módosítani, hogy az a szegmentáció hibáit kompenzálja. Célunk több egyszerre megfigyelt objektum esetére is megoldani a rekonstrukciót, olyan esetekben is, amikor azt az off-axis tagok akadályozzák. Célunk más mérési elrendezések esetére is kiterjeszteni az algoritmusunk alkalmazhatóságát.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Digitális holografikus mikroszkópiát sikeresen alkalmazzuk ritka minták elemzésére, mert akár százszor akkora térfogat vizsgálható vele, mint egy hagyományos mikroszkóppal. Erre eddig Gábor féle in-line architektúrát alkalmaztunk, de az ikerkép és nullad rendű tagok a rekonstruált objektumok képét szennyezik. A fázis visszaállítása, ami eltünteti ezeket a zajokat és az objektumok alakját is megmutatja, csak lassú iteratív eljárással valósítható meg. Off-axis hologramok esetén ez egyszerűbb, mivel az objektum tag a frekvencia térben elválasztható a többi tagtól, de szenzor felületének csak egy kis része vesz részt a rekonstrukcióban, így csökken a használható tér-sávszélesség szorzat. Korábban sikerült olyan algoritmust kidolgozni, ami egy rögzített in-line és egy off-axis hologram segítségével az in-line hologramnak megfelelő felbontású, de nagyon gyors, fázis visszaállításra képes. Több hologram felvétele azonos mintáról nem mindig lehetséges és ez szűkíti az alkalmazások körét. A kutatás célkitűzése ezért olyan mérési elrendezés, algoritmus készítése, ami lehetővé teszi mindezt megoldani egyetlen off-axis hologram segítségével. Ehhez az off-axis hologramot szegmentálni kell egy in-line tagra és az off-axis objektum tagra, valamint több egyszerre megfigyelt objektum esetére is megoldani a rekonstrukciót. Célunk más mérési elrendezések esetére is kiterjeszteni az algoritmusunk alkalmazhatóságát. Mindeddig az in-line és off-axis elrendezéseket egymás alternatívájaként használták, míg itt egymást kiegészítik. Amennyiben sikeresen lehet gyorsan nagy felbontású rekonstrukciót készíteni az off-axis hologramokból az új, hatékonyabb mérő eljárások kidolgozását teszi lehetővé. Az eljárásunk lehetőséget teremthet például kiterjedt főleg fázis modulációval rendelkező minták (szövettani metszetek, sejt tenyészetek, lencsék, optikai alkatrészek) gyors mérésére, a mért objektumok fázis eloszlásának, alakjának meghatározására, illetve az alak időbeli változásának a követésére.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Digitális holográfia alkalmazásával akár százszor akkora térfogat vizsgálható át, mint egy hagyományos mikroszkóppal. Erre eddig egy Gábor Dénes féle in-line hologram mérő elrendezést használtunk. Az elrendezés geometriájából adódóan a helyreállított képen mindig megjelennek ikerkép diffrakciós karikái. Ezeket digitális holográfia estén fázis rekonstrukciós eljárásokkal el lehet tüntetni és így az objektumok, fázis és amplitúdó eloszlását visszanyerni, de sajnos, az erre alkalmazható matematikai eljárások igen lassúak. Ezért is vezették be az úgynevezett off-axis optikai elrendezéseket. Ekkor a fázis visszaállítása - a zavaró képrészek kiszűrése egyszerűbb - de a rögzített hologramnak csak egy kis része használható a rekonstrukcióra, ami csökkenti a látóteret illetve a felbontó képességet. Korábban kidolgoztunk egy módszert, amivel az in-line és az off-axis elrendezés előnyeit egyesíti, azaz megmarad a nagy felbontás és a számítások lényegesen leegyszerűsödnek. Viszont ehhez két mérésre volt szükség az algoritmus működéséhez, ami mozgó objektumok mérését lehetetlenné teszi. A kutatás célkitűzése olyan mérési elrendezés, algoritmus készítése, amely lehetővé teszi egyetlen hologram felhasználásával megoldani akár mozgó objektumok esetén is gyors, pontos és nagy felbontású kép elkészítését. Célunk más mérő elrendezések esetére is kiterjeszteni az algoritmusunk alkalmazhatóságát, például szövettenyészetben lévő átlátszó sejtek hatékony alak mérésére.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Digital holographic microscopy can be efficient use in the monitoring of sparse fluid samples as it can inspect 100 times larger volume than conventional microscopes. For this purposes so far we used Gabor type in-line architecture, but in this architecture the zero order and the twin image terms always bias the image of the reconstructions. The retrieval of the phase of the hologram, that eliminates these biases and reveal the shape of the objects, can be accomplished only by slow (at high Fresnel numbers very slow) iterative algorithm. If an off-axis hologram is recorded, the reconstruction of the phase is straightforward, as the object term can be separated from the other terms in the frequency space. However, due to the applied spatial frequency filtering the space bandwidth product of the reconstruction is really small. Earlier, by the combination of these methods we were able to accomplish high speed, high resolution phase retrieval using the in-line and the off-axis holograms of the same objects. The goal of this project is to construct an algorithm that is able to fulfill this phase reconstruction from a single recorded (off-axis) hologram. To achieve this we have to segment the off-axis hologram to an in-line hologram and to the object term and change the algorithm to compensate the errors of the segmentation. We also aim to fulfill the phase retrieval when multiple objects are recorded in a single hologram. It is not always easy as the reconstruction of the off-axis terms can deter the proper work of the algorithm. We aim to apply the algorithm in other measurement tasks, e.g. to achieve high speed and high resolution phase retrieval of transparent cell samples.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Digital holography provides efficient measuring architecture, as the amplitude and phase distribution of objects within a large volume can be defined by it in principle. If a Gabor type in-line measuring architecture is applied, the measuring setup is simple, but the reconstructed image is always biased by the diffractions of the twin image term. The retrieval of the hologram phase, that eliminates these biases and reveal the shape of the objects, can be accomplished only by slow, at high Fresnel numbers very slow iterative algorithms. In the case of off-axis holograms, the phase reconstruction is straightforward, as the object term can be separated from the other terms in the frequency space. However, just due to the applied spatial frequency filtering the space bandwidth product of the reconstruction considerably decreased. Applying both of these methods we were able to accomplish high speed, high resolution phase retrieval using the in-line and the off-axis holograms of the same objects. Unfortunately, the algorithm requires the recording of two holograms that considerably limits its applicability e.g. it is not applicable in the case of moving objects. The goal of this research is to construct an algorithm that is able to fulfill the high speed, high resolution phase reconstruction from a single recorded hologram. We have to segment a special off-axis hologram to an in-line hologram and to the object term, and change the algorithm to compensate the errors of the segmentation. We also aims to fulfill the phase retrieval when multiple objects are recorded in a single hologram. We also try to apply the algorithm in other measurement tasks.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Digital holographic microscopy can be efficient used for the monitoring of sparse fluid samples. For this purposes we used Gabor type in-line architecture so far, but in this architecture the zero order and the twin image terms always bias the reconstructed image. The retrieval of the hologram phase, that eliminates these biases and reveal the shape of the objects, can be accomplished only by slow iterative algorithms. If an off-axis hologram is recorded, the reconstruction of the phase is straightforward as the object term can be separated from the other terms in the frequency space. However, just due to the applied spatial frequency filtering the applicable space bandwidth product decreases considerably. By the combination of the above methods we were able to accomplish high speed, high resolution phase retrieval using the in-line and the off-axis holograms of the same objects. So far, the in-line and off-axis architectures were used as alternatives, but here they can support each other. However, recording two holograms of the same object is not always possible, which limits the applicability of the method. Therefore, our goal is in this project to construct an algorithm that is able to fulfill the phase reconstruction from a single recorded hologram. To achieve this, we have to segment the measured off-axis hologram to an in-line hologram and to the object term, and change the algorithm to compensate the errors of the segmentation. We aims to extend the method applicability to other measuring architectures too. If we can achieve high speed, high resolution reconstructions from a hologram, the development of new, more efficient measuring methods becomes accessible. Especially, our method could provide a fast measuring method of extended phase objects (histology or tissue culture samples, lens and other optical components). It makes possible the reconstruction of the phase (shape) distribution of the measured objects and the detection of its temporal evolution.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Using a digital holographic microscope we can inspect 100 times larger volume than by a conventional microscope. The standard method for this, what we used in our holographic microscopes in the last ten years, is used Gabor type in-line architecture so far. However, due to the special geometry of this architecture the diffraction rings of the so called twin image term always spoils the reconstructed images. Using an appropriate phase retrieval algorithms these errors can be eliminated and the shape of the objects can be also revealed. Unfortunately, these algorithms, especially when high resolution imaging is aimed, are very slow. This was one of the main reasons of the introduction of the so called off-axis hologram recording architectures. In this case the phase reconstruction becomes simple, but only a small part of the hologram surface is applied in the object reconstruction. This is considerably limits the achievable volume and the resolution of the microscope. We have invented earlier a method that combines the above two methods. This way we were able to achieve high resolution reconstruction at a high speed. However, so far we needed two different hologram recordings, which is not always possible e.g. it is not applicable in the case of moving objects. Therefore, our goal is in this project to solve the high speed, high resolution and accurate image reconstruction for a single hologram. We also aim to apply the developed algorithm in other measuring architectures, like in the holographic determination of the shape of transparent sample cells.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
