Menu Title

VĚDECKÁ ČINNOST

»  Nekoherentní korelační holografie

 

SROVNÁNÍ KOHERENTNÍ A NEKOHERENTNÍ HOLOGRAFIE


  Koherentní holografie 

 

1Klasická optická holografie využívá pro záznam hologramu koherentní záření. Signální vlna nesoucí informaci o 3D objektu a pomocná referenční vlna jsou vzájemně korelované ve všech bodech oblasti, ve které se překrývají. Hologram představuje interferenční pole vytvořené vlnami a je zaznamenán na holografickou desku. Po vyvolání a osvětlení referenční vlnou je hologram opticky rekonstruován. V digitální holografii je záznam proveden pomocí CCD a rekonstrukce je provedena numericky.

 

Nekoherentní korelační holografie

 

2V metodách nekoherentní korelační holografie je záznam objektu realizován v kvazimonochromatickém prostorově nekoherentním záření. Světelné vlny vyslané jednotlivými body objektu jsou rozděleny na signální a referenční vlny, které interferují a vytvářejí bodové hologramy. Výsledný záznam 3D objektu je dán nekoherentním součtem holografických záznamů jeho jednotlivých bodů.

 

Digitální holografický mikroskop s nekoherentním osvětlením

 

3V digitálním holografickém mikroskopu s nekoherentním osvětlením je provedena prostorová filtrace clonou o průměru několika mikrometrů,  která zajistí dostatečnou prostorovou koherenci signální a referenční vlny.

FRESNELOVA NEKOHERENTNÍ KORELAČNÍ HOLOGRAFIE
(Fresnel Incoherent Correlation Hologra – FINCH)


4

 

Záznam hologramu a rekonstrukce obrazu

 

5

Fresnelova nekoherentní korelační holografie (FINCH) umožňuje korelační záznam 3D objektů v kvazimonochromatickém prostorově nekoherentním světle. Vlny vyzářené jednotlivými předmětovými body jsou rozděleny na signální a vhodně tvarované referenční vlny pomocí prostorového modulátoru světla (PMS). Signální a referenční vlny jsou prostorově korelované a pokud rozdíl jejich optických drah nepřekračuje koherenční délku použitého záření, interferují a vytvářejí bodové holografické záznamy. Záznam objektu je opakován při třech různých posunutích referenční vlny, záznamy jsou zpracovány metodou fázových posunutí a následně provedena numerická rekonstrukce obrazu. Experimentální sestava odpovídá jednocestnému interferometru, který je mimořádně stabilní. Záznam a rekonstrukce obrazu může být provedena v transmisním, reflexním i fluorescenčním osvětlovacím uspořádání.

 

Základní záznamové konfigurace

 

6Při záznamu bodových hologramů je možné pomocí PMS nastavit tvar vlnoplochy referenční vlny. V původních experimentech byla užívána rovinná referenční vlna, později se ukázala výhodnost sférické referenční vlny, která umožňuje minimalizovat rozdíly optických drah interferujících vln. Při zobrazení se spirálním zvýšením kontrastu rozhraní je možné použít vírovou referenční vlnu.

Základní experimentální uspořádání metody FINCH v mikroskopii

 

7V základním uspořádání FINCH mikroskopie je zkoumaný vzorek v transmisním režimu osvětlen kvazimonochromatickým prostorově nekoherentním zdrojem (nejčastěji LED). Prošlé světlo je kolimováno mikroskopovým objektivem a jeho polarizační stav je pomocí polarizátoru P nastaven tak, aby na prostorovém modulátoru světla PMS (Hamamatsu X10468-01) nastávala čistě fázová modulace. Dělič svazku DS umožňuje kolmý dopad světla na reflexní PMS. Počítačem generované hologramy odeslané na PMS zajistí rozdělení každé vstupní vlny na signální a referenční vlnu s vhodným tvarem vlnoplochy. Modulované vlny jsou děličem DS odkloněny na CCD. Záznam vzorku je opakován pro fázová posunutí referenční vlny 0, 2π/3 a 4π/3. Záznamy jsou zpracovány metodou fázových posunutí a numericky rekonstruovány. Experimentální sestava realizovaná v LDO umožňuje také reflexní a fluorescenční osvětlení vzorku.

SPECIÁLNÍ VLASTNOSTI FINCH ZOBRAZENÍ


Lagrangeův invariant (LI) a sub-difrakční rozlišení

 

FINCH zobrazení založené na numerické rekonstrukcí korelačních záznamů, se svými vlastnostmi liší od optického zobrazení s přímou detekcí obrazu. Lagrangeův invariant (LI), který u optického zobrazení spojuje měřítko zobrazení s předmětovou a obrazovou numerickou aperturou, je u FINCH zobrazení porušen. Příčné měřítko zobrazení může být pomocí geometrických parametrů experimentu měněno nezávisle na numerické apertuře virtuální difraktivní čočky, použité při rekonstrukci obrazu. Tato vlastnost metody FINCH umožňuje překonání difrakčního limitu zobrazení použitého mikroskopového objektivu.

P. Bouchal, J. Kapitán, R. Chmelík and Z. Bouchal, Point spread function and two-point resolution in Fresnel incoherent correlation holography, Opt. Express 19, 15603 (2011).

Odkaz na publikaci zde

Experimentální demonstrace sub-difrakčního rozlišení

 

9Porušení Lagrangeova invariantu (LI) dává možnost výrazně ovlivnit dosažené rozlišení pohou změnou pozice CCD při snímání korelačních záznamů. Situace je znázorněna v grafu, který byl získán pro rovinnou referenční vlnu. Na vodorovné ose je poměr vzdálenosti mezi CCD a PMS Δ2 a ohniskové vzdálenosti čočky fS, vytvořené na PMS pro transformaci signální vlny. Na svislé ose je koeficient rozlišení L. = ΔrF / Δr, kde ΔrF je rozlišení v rovině předmětu při FINCH zobrazení a Δr je difrakční limit předmětového rozlišení použitého objektivu. Je zřejmé, že v pozicích CCD Δ2 < fS není rozlišení mikroskopového objektivu při FINCH zobrazení využito. K nejvýraznějšímu překročení difrakčního limitu dochází v detekční pozici Δ2 = 2fS. Podle geometrického modelu je difrakční limit překonán 2 x, podle zpřesněného difrakčního modelu 21/2 x. Rozdíly v rozlišení USAF testu rekonstruovaného ze záznamů pořízených v CCD pozicích (a), (b) a (c) dokumentují soulad experimentu s teoretickou předpovědí.

 

Hybridní režim koherence

 

10

FINCH S PLNÝM PŘEKRYTÍM INTERFERUJÍCÍCH VLN


Standardní experimentální sestava

 

11Ve standardním uspořádání (horní schéma) dochází ke zmenšování oblasti překrytí signálních a referenčních vln při záznamu mimoosových oblastí předmětu. Tento efekt výrazně redukuje zorné pole použitého mikroskopového objektivu a snižuje difrakční limit rozlišení. Plné překrytí signálních a referenčních vln v celém zorném poli mikroskopového objektivu bylo dosaženo v upravené experimentální sestavě (dolní schéma),  doplněné 4-f systémem.

P. Bouchal and Z. Bouchal, Wide-field common-path incoherent correlation microscopy with a perfect overlapping of interfering beams, J. Europ. Opt. Soc. Rap. Public. 8, 13011 (2013).

Odkaz na publikaci zde

Experimentální sestava doplněná 4-f systémem

 

12

 

Experimentální demonstrace rozšíření zorného pole

 

13

FINCH ZOBRAZENÍ PŘI ČÁSTEČNÉ ČASOVÉ KOHERENCI SVĚTLA


 

14Původní experimenty korelačního zobrazení byly realizovány s téměř monochromatickým prostorově nekoherentním světlem, získaným pomocí spektrálních filtrů s šířkou pásma propustnosti několika nanometrů. Pro zvýšení poměru signál / šum bylo důležité nalezení takových experimentálních konfigurací, které umožní rozšířit spektrum používaného záření. Pro optimalizaci experimentů byl navržen výpočetní model, který využívá koncepci koherenční apertury pro vyhodnocení rozlišení obrazu v podmínkách částečné časové koherence světla.

 

Interpretace koherenční apertury v nedisperzním FINCH zobrazení

 

 

CESTA K SUB-DIFRAKČNÍMU FINCH ZOBRAZENÍ V BÍLÉM SVĚTLE


 

16Rozlišení dosažené v metodách nekoherentního korelačního zobrazení je ovlivněno koherenční délkou použitého záření, rozdílem optických drah interferujících vln a disperzními efekty. Teoretická analýza ideálních nedisperzních systémů prokázala, že v optimálně konfigurovaných experimentech je možné dosáhnout subdifrakčního rozlišení i při použití širokospektrálního záření.

P. Bouchal and Z. Bouchal, Concept of coherence aperture and pathways toward white light high-resolution correlation imaging, New J. Phys. 15, 123002 (2013).

Odkaz na publikaci zde

Fyzikální limity, které ukazují možnost dosažení vysokého rozlišení v bílém světle, jsou  významné pro aplikace a motivují  výzkum zaměřený na konstrukční návrhy systémů s eliminovanou difraktivní disperzí.

Z. Bouchal, V. Chlup, R. Čelechovský, P. Bouchal and I. C. Nistor, Achromatic correction of diffractive dispersion in white light SLM imaging, Opt. Express 22, 12046 (2014).

Odkaz na publikaci zde