Menu Title

VĚDECKÁ ČINNOST

»  Prostorová lokalizace mikročástic

1 Obraz bodového zdroje, vytvořený fyzikálně dokonalým systémem s kruhovou pupilou, má v paraxiální obrazové rovině tvar Airyho disku. Při posunutí roviny detekce mimo paraxiální obrazovou rovinu dochází k rozšíření a změně tvaru obrazové stopy. Podobný efekt nastává, pokud detektor zůstane v paraxiální obrazové rovině a původně zaostřený předmětový bod se posouvá podél optické osy zobrazovacího systému. Změny rozostřeného obrazu indikují změnu polohy odpovídajícího bodového předmětu, provést tímto způsobem přesnou axiální lokalizaci pozorovaných objektů je ale problematické. Pokud je obraz vytvářen difrakčně limitovaným optickým systémem, rozostřený obraz je symetrický při posunutí před a za paraxiální předmětovou rovinu, takže směr posuntí nemůže být vůbec stanoven. Axiální lokalizaci bodových objektů je možné s vysokou přesností provést pomocí bodového obrazu vytvořeného interferencí světelných vírů. V anglicky psané literatuře je takový obraz označován jako D-H PSF – Double-Helix Point Spread Function.  Bodový obraz má v tomto případě rotačne nesymetrický tvar nejčastěji tvořený dvěma laloky. Axiální posunutí zaznamenaného bodového objektu se projeví úhlovým otočením obrazové stopy, které lze jednoduše vyhodnoti. S využitím vhodného výpočetního modelu a kalibrace systému je možné z úhlového otočení obrazu s vysokou přesností určit odpovídající polohu předmětu. 3Obrazová stopa, která rotuje v důsledku rozostření, byla v prvních experimentech vytvářena interferencí Laguerreovských-Gaussovských svazků, generovaných pomocí prostorového modulátoru světla (PMS). Tento postup měl malou energetickou účinnost a v následném výzkumu byly nalezeny další metody využívající například azimutální diskretizaci spirální fázové masky nebo samozobrazení vírových polí. Vírová axiální lokalizace byla implementována také v metodách koherentní a nekoherentní digitální holografie, které umožnily výhodně pracovat s komplexní amplitudou jediného nedifrakčního vírového svazku.

 

Azimutální diskretizace spirální masky


4_

 

 Využití azimutální diskretizace spirální masky


5_

 Samozobrazení virových módů

Axiální lokalizaci mikroskopických objektů lze velmi výhodně provést s využitím interference vícenásobných vírových obrazů vytvořených pomocí PMS. Rotace výsledné obrazové stopy je způsobena efekty, které mají přímou analogii s nedifrakčními vírovými svazky a samozobrazovacími jevy. Oproti dříve užívaným metodám je tento způsob lokalizace výhodný především odolností vůči aberacím a výrazným zvětšením pracovní oblasti. Další předností metody je stabilita tvaru a velikosti obrazové stopy, která zůstává prakticky nezměněna v celé oblasti lokalizace a umožňuje přesné vyhodnocení úhlové rotace.


6_78

                                                                                     (c)                                          (d)

Lokalizace částic pomocí vírového samozobrazení má vysokou míru variability a umožňuje jednoduchým způsobem hledat kompromis mezi energetickou účinností a odolností vůči aberacím. Metoda byla úspěšně testována na lokalizaci polystyrénových kuliček (průměr 1 μm), které se volně pohybovaly Brownovským pohybem.

 

 Rotujicí zobrazení v digitální holografii


10_V metodách digitální holografie lze vírovou lokalizaci objektů realizovat speciálně navrženými numerickými metodami, které jsou použity při rekonstrukci standardně pořízených hologramů. Vzhledem k tomu, že v numerickém provedení lze pracovat s komplexní amplitudou signálu, je možné rozostřovací rotaci obrazu výhodně identifikovat v jediném nedifrakčním vírovém módu. Metoda byla ověřena v experimentech nekoherentní korelační holografie a úspěšně použita pro lokalizaci a dynamické sledování transparentních a fluorescenčních mikroskopických objektů.

 

 Rotujicí zobrazení v nekoherentní digitální holografii


11_nove_1

11_nove_2

polRekonstrukce trajektorie vybrané částice. ↑

fluo

11_nove_3