Master's Thesis

Possibilities of three-dimensional imaging in transmitted-light holographic microscope

Final Thesis 5.08 MB Appendix 692.58 kB

Author of thesis: Ing. Lucia Sládková

Acad. year: 2012/2013

Supervisor: Ing. Pavel Kolman, Ph.D.

Reviewer: Ing. Petr Jákl, Ph.D.

Abstract:

Digital holographic microscopy (DHM) is noninvasive method for obtaining images even from samples with low contrast. Nowadays DHM design makes it possible to illuminate sample by broad light source, halogene lamp. Broad light source is displayed in the front focal plane of condensor in such way, that Köhler illumination is achieved. Each point of the source corresponds to a plane wave in image field of objective, which illuminates the whole field of view, but from different direction. Position of the point determines the direction of illumination. In this reason, the microscope enables so reconstruct not only intensity, but also phase of object wave. New designed and constructed interchangeable pinhole aperture modify broad light illumination by rotation around the optical axis. Aperture is placed eccentrically considering the optical axis of microscope. Incidence of light beam on a sample would be under defined angle. After the reconstruction of taken phase images from individual angles of illumination should be possible to obtain three-dimensional structure of the sample.

Keywords:

Coherence controlled holographic microscopy, CCHM, interchangeable rotating pinhole aperture

Date of defence

18.06.2013

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (N3901-2)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (M-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Pavel Kolman, Ph.D.

Zvolené téma lze zpracovat z mnoha směrů a velmi obsáhle. Vyžaduje to však dobré znalosti z několika oborů. Touto prací vzniklo základní experimentální zařízení nutné pro pokračování výzkumu možností trojrozměrného zobrazování zejména fázových objektů.
Sestrojené zařízení umožňuje rotovat aperturní clonou mikroskopu kolem optické osy. Rotace je řešena krokovým motorem a je řiditelná počítačem. Samotná clona je výměnná, takže lze použít clony různých tvarů a velikostí s různou excentricitou.
Návrh zařízení byl vytvořen pomocí 3D počítačového modelování, následně byla vytvořena výrobní výkresová dokumentace a vyrobeny součásti. Zařízení bylo zkompletováno a jako blok je připojitelné k mikroskopu na místo původního karuselu s aperturními clonami. Tím byly splněny požadavky a cíle týkající se návrhu, konstrukce a výroby rotující clony. Mechanická funkčnost zařízení byla také ověřena.
V textové části bych očekával alespoň zmínku o metodách používaných v tomografii k rekonstrukci z projekcí a stručné pojednání o rozdílech pro geometrii dosažitelnou v transmisním holografickém mikroskopu.
Úvodním experimentem v odst. 3.6 bylo provedeno měření s proměnnou velikostí kruhové aperturní clony centrované na optickou osu. Výsledná fázová zobrazení jsou na str. 24 (obr. 3.4). Chybí však analýza experimentu.
Experimenty s rotující clonou se podařilo provést pouze na zkušební sestavě na mikroskopu P3 (CCHM II) s objektivy nízké numerické apertury (0,25). Výsledky získané numerickou rekonstrukcí ze série nasnímaných průmětů proto nemohou být dokonalé. Živé biologické objekty se nasnímat a zrekonstruovat nepodařilo.
Výkresová dokumentace obsahuje několik chyb, které prozrazují autorčinu nezkušenost. Součásti jsou vesměs jednoduché a chyby jsou opravitelné, takže zařízení by mělo být plně funkční.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita D
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu D

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Ing. Petr Jákl, Ph.D.

    Diplomová práce slečny Lucie Sládkové se zabývá konstrukcí mimoosové clonky osvětlovače digitálního holografického mikroskopu a měřením vzorku s úhlovým osvětlením. Práce je členěna do šesti kapitol, z nichž první tři se zabývají úvodem do holografické mikroskopie, popisem funkce koherencí řízeného digitálního holografického mikroskopu a principu trojrozměrného zobrazení. Vlastní práce se nachází zejména v kapitolách 4 a 5. V kapitole 4 jsou popsána měření s první verzí mechanismu, kde je poloha clonky nastavena manuálně rotací mezikruží a úhel je odečítán na milimetrové stupnici. Kapitola 5 obsahuje mechanickou konstrukci druhé verze rotačního mechanismu, který je již řízen elektronicky a umožňuje snímání vzorku automatizovat. Pozornost je věnována rovněž zapojení krokového motoru a ovládací elektroniky. Diplomová práce obsahuje dvě přílohy – výkresovou dokumentaci k motorickému rotačnímu mechanismu a kompaktní disk s digitální verzí diplomové práce a výkresy.
    Uspořádání práce je spíše chronologické než tématické, takže je někdy trošku těžší rozeznat, kde začíná vlastní práce diplomantky (např. určení vlivu velikosti clonky na kvalitu zobrazení se nachází již v kapitole „3. Možnosti trojrozmerného zobrazovania“, která je věnována vysvětlení principů pozorování). Z grafického hlediska lze práci vytknout časté použití schémat a obrázku s velice nízkým rozlišením (např. obrázky 1.1, 2.2, 2.4 atd. mají viditelné jednotlivé pixely a reliéf na obrázku 4.4 je prakticky nerozeznatelný). Číselné údaje neberou ohled na přesnost odečítání – úhel natočení je udáván v desetinách stupně (např. obrázek 4.5 je vytvořen pod úhlem 22.2o, 164.4o a 266.7o), přičemž jeden dílek na stupnici manuálního mechanismu je 4.4o. Počet překlepů je minimální a text práce je srozumitelný. Výkresová dokumentace druhé verze rotačního mechanismu je postačující pro dílenskou výrobu.
    Diplomantka úspěšně naměřila trojrozměrný reliéf pomocí manuálního mechanismu rotace clonky a ověřila vliv úhlové polohy zdroje osvětlení na výsledný hologram. Při zpracování hologramů z různých směrů osvětlení ověřila možnost numerického přeostření obrazu v řádu desítek mikrometrů, takže lze získat trojrozměrnou topologii i bez znalosti indexu lomu materiálu. Snímání živých organismů se nezdařilo pomocí manuálního mechanismu uskutečnit. Navrhla a zkonstruovala zařízení pro automatické rotování clony před osvětlovačem a hardware ovladače pro připojení k řídicímu počítači.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 1. V kapitole 4.1. píšete, že bylo nutné nasnímat 81 hologramů po obvodu celého kruhu. Jak by se projevilo snížení počtu hologramů na rekonstruovaném obraze?
  2. 2. Clonka je umístěna excentricky 1 mm od optické osy. Jak se projeví zvětšení této vzdálenosti?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová