Depth-resolved quantitative phase imaging using lensfree interferometric microscopy

Bc. Matěj Hejda

Master's thesis

Abstract:

Examining of weakly scattering transparent structures is highly desirable especially in areas such as cell imaging and quality control of transparent surfaces. However, such structures can not be efficiently imaged in conventional light microscopes due to low scattering signal. To measure such structures, techniques such as interferometry are more suitable. The lensfree interferometric microscope (LIM) is a compact device that utilizes birefringent crystals and partially coherent collimated light beams to acquire information about refractive index distribution of planar samples with sub-nanometer precision. Extending the phase imaging ability of such device from two to three dimensions would allow multitude of new applications across various research and industrial fields including biomedical imaging, physical data storage systems, defect mapping in glasses or holographic security element validation. This thesis focuses on expanding the measurement capabilities of the LIM device into the field of tomographical imaging by enabling depth resolving of transparent (phase) objects. First, an overview of the LIM, its design and related computational methods is provided. The microscope prototype was built, all the optical setup parameters were assessed and the influence of different components was evaluated, laying the foundation for further development of commercial prototypes. To emphasize the potential for a point-of-care portable device, all the hardware controls and data processing were implemented on a single-board computer. Simultaneously, a novel solution to obtain different illumination angles was proposed using multicore optical fiber bundle. Utilizing a combination of the multiple illumination angles and computational post-processing, phase maps were reconstructed across a field-of-view of 35 mm2 with spatial resolution of 10 um and axial resolution in the sub-nanometer region. To enable depth resolving, multiple techniques were proposed for the LIM, taking advantage of both digital holographic refocusing and the angled illumination. These proposed methods were verified by measuring real, custom-made multilayered transparent samples. The best results were obtained by a self-developed algorithm named backpropagated pixel-by-pixel verification (beta-PbP). This new method enables layer-by-layer phase map reconstruction in the sample volume V = 0.5 cm3 with axial accuracy for preliminary results being below 1 mm. Together with the other introduced techniques, this demonstrates the first proof-of-concept of using the LIM for tomographical imaging.

Abstract:

Schopnost zkoumat slabě rozptylující vzorky je klíčová například pro odvětví zabývající se studiem buněk nebo optickou analýzou povrchů. Tyto tzv. fázové objekty však neprodukují dostatečný signál na to, aby mohly být zobrazovány pomocí klasické optické mikroskopie. Řešením tohoto problému je využití interferometrie. Bezobjektivový interferometrický mikroskop (LIM) je zařízením, které využívá dvojlomných krystalů a částečně koherentních, kolimovaných zdrojů světla ke zkoumání plošného rozložení indexu lomu ve vzorcích s vysokým axiálním rozlišením. Schopnost získat informace o třírozměrném rozložení fázových objektů v objemu vzorku by umožnila využití tohoto mikroskopu v nových vědeckých i průmyslových odvětvích, například biomedicínském zobrazování, datových úložištích na bázi skla nebo monitorování defektů v optických elementech. Tato diplomová práce se zabývá rozšířením funkčnosti bezobjektivového interferometrického mikroskopu do oblasti tomografického zobrazování. Toho je dosaženo realizací hloubkového rozlišování pro fázové objekty ve zkoumaných vzorcích. Pro umožnění měření byl sestaven prototyp mikroskopu a ověřen vliv různých parametrů optického uspořádání na kvalitu pořízeného obrazu. Současně byla navržena nová metoda k získání nakloněného, kolimovaného osvětlení. Kombinací několika úhlů osvitu a následného algoritmického zpracování získaných dat byly pořízeny kvantitativní fázové snímky se zorným polem 35 mm2, plošným rozlišením 10 um a axiálním rozlišením menším než 1 nm. Následně bylo navrženo několik metod umožňujících hloubkové rozlišování zobrazovaných objektů. Tyto postupy, využívající nakloněného osvitu a numerické propagace optického pole, byly implementovány a ověřeny měřením na vícevrstvých vzorcích. Nejlepší výsledky byly získány pomocí metody backpropagated pixel-by-pixel verification (beta-PbP). Tato nově navržená metoda byla úspěšně využita pro třírozměrnou rekonstrukci rozložení fázových objektů ve vzorcích objemu V = 0.5 cm3 s axiální přesností menší než 1 mm. Společně s ostatními navrženými metodami se jedná o první demonstraci využití LIM jako tomografické zobrazovací techniky.

Keywords

bezobjektivová interferometrická mikroskopie, kvantitativní fázové zobrazování, hloubkové rozlišování, třírozměrné zobrazování

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 12. 2018

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Pavel Mokrý, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Master programme / field:
Nanotechnology / Nanomaterials