Principy a optimalizace digitální holografické mikroskopie

Rebeka ZRNÍKOVÁ

Bachelor's thesis

Design and trade-offs of digital holographic microscopy

Abstract:

The Thesis is focused on the experimental implementation of digital holographic microscopy for live cell observation and the analysis of reconstructed images. Digital holographic microscopy is a non-invasive technique, which enables the acquisition of three-dimensional images of microscopic objects. The experimental setup, constructed as an off-axis digital holographic microscope, allowed us to capture interference recording of the sample with unstained cells on camera for subsequent reconstruction. The reconstruction process involved performing the Fourier transform on the captured image, extracting the necessary information from the Fourier domain, and then applying the inverse Fourier transform. By ensuring the precise alignment and characteristics of the optical components, three distinct diffraction orders were observable in the Fourier domain. The quality of the reconstruction heavily relies on the size of the spectrum cut, which significantly influences the final resolution of the reconstructed image. We demonstrate the performance of the method by imaging human cheek cells. Furthermore, part of the Thesis also deals with the design of an advanced holographic microscope, where we aim for the best use of the imaging apparatus and the camera parameters in order to obtain the largest possible field of view with preserved optical resolution. This is done by setting the correct position and size of diffraction orders. The work will progress toward high-resolution three-dimensional reconstruction of live cells at the level of cell organelles in microfluidic systems.

Abstract:

Práca je zameraná na experimentálnu implementáciu digitálnej holografickej mikroskopie určenú na pozorovanie živých buniek a analýzu rekonštruovaných obrazov. Digitálna holografická mikroskopia je neinvazívna technika, ktorá umožňuje získavanie trojrozmerných obrazov mikroskopických objektov. Experimentálna zostava, zostavená ako mimoosový digitálny holografický mikroskop, nám umožnila zachytiť interferenčný záznam vzorky s nefarbenými bunkami na kamere pre následnú rekonštrukciu. Proces rekonštrukcie zahŕňal vykonanie Fourierovej transformácie zachyteného obrazu, extrakciu potrebných informácií z Fourierovho priestoru a následné použitie inverznej Fourierovej transformácie. Zabezpečením presného zarovnania a charakteristík optických komponentov bolo možné pozorovať tri difrakčné rady vo Fourierovom priestore. Kvalita rekonštrukcie výrazne závisí od veľkosti výrezu zo spektra, ktorý výrazne ovplyvňuje finálne rozlíšenie rekonštruovaného obrazu. Metódu sme demonštrovali pomocou snímania ľudských lícnych buniek. Ďalej sa časť práce venuje návrhu pokročilého holografického mikroskopu, kde sa snažíme dosiahnuť najlepšie využitie zariadenia na zobrazovanie a parametrov kamery, aby sme dosiahli čo najväčšie možné zorné pole so zachovaným optickým rozlíšením. To sa dosiahne nastavením správnej pozície a veľkosti difrakčných radov. Práca bude pokračovať smerom k trojrozmernému rekonštruovaniu živých buniek na úrovni bunkových organel v mikrofluidných systémoch s vysokým rozlíšením.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 5. 2024

Thesis defence

• Supervisor: Mgr. Jaromír Běhal, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Optics and Optoelectronics / Optics and Optoelectronics