Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

The design and construction of a Fourier ptychography microscope based on a biological microscope

Katarzyna Izabela Krajewska

Abstract

The main goal of this thesis was to design and program Fourier ptychographic microscope that is based on biological microscope and to use it to measure phase and amplitude objects. This type of imagining does not require high end hardware setup but is capable of providing gigapixel images with high resolution in wide field of view (FOV) using conventional biological microscope and low NA objective. It's a part of growing field of techinques that quantitatively recover phase from image intensity. Results of this setup are far beyond classical microscopy. The main part of this imagining method is reconstruction algorithm shared by prof. Laura Waller's team from University of California in Berkeley that is written in MATLAB and which creates a new, higher quailty image from series of low-resolution pictures. Simply by changing the way of illuminating of the object from halogen light bulb, field lens and condenser used in Koehler illumination in biological microscopes to matrix of small LED diodes we can achieve images that correspond with different parts of Fourier space. These parts are stitched together to form a new, larger numerical aperture called sythetic apertur. Scope of work included research within previous constructions and algorithms, building Fourier ptychographic microscope and using it to measure probes. System setup includes biological microscope Nikon Eclipse E200, low-NA and low-magnification objectives(4x NA 0.1 and 10x NA 0.25), LED matrix Gravity: I2C 8x16 RGB LED Matrix Panel SKU: DFR0522 controlled by Arduino UNO and Basler acA3800-14um CMOS digital camera controlled by MATLAB. Mounting parts that hold new source of light were designed in Inventor and their prototypes were 3D printed. In final version these parts are made of aluminium. The result of this work are amplitude and phase retrieved from observed samples. This thesis covers also comparison of reconstruction results from two different objectives, types of amplitude, phase, biological samples to measure and points out sources of imperfections and limits of this imagining method. Future steps to improve this technique were also specified.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Katarzyna Izabela Krajewska (FM) Katarzyna Izabela Krajewska,, Faculty of Mechatronics (FM)
Title in Polish
Budowa fourierowskiego mikroskopu ptychograficznego w oparciu o układ mikroskopu biologicznego
Supervisor
Arkadiusz Kuś (FM/IMPh) Arkadiusz Kuś,, The Institute of Micromechanics and Photonics (FM/IMPh)Faculty of Mechatronics (FM)
Certifying unit
Faculty of Mechatronics (FM)
Affiliation unit
The Institute of Micromechanics and Photonics (FM/IMPh)
Study subject / specialization
, Mechatronika
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
15-05-2019
Issue date (year)
2019
Reviewers
Arkadiusz Kuś (FM/IMPh) Arkadiusz Kuś,, The Institute of Micromechanics and Photonics (FM/IMPh)Faculty of Mechatronics (FM) Michał Józwik (FM/IMPh) Michał Józwik,, The Institute of Micromechanics and Photonics (FM/IMPh)Faculty of Mechatronics (FM)
Keywords in Polish
mikroskopia, ilościowe obrazowanie fazy, ptychografia, ptychografia fourierowska, mikroskopia obliczeniowa, MATLAB
Keywords in English
microscopy, quantative phase retrival, ptychography, fourier ptychography, computional microscopy,MATLAB
Abstract in Polish
Niniejsza praca dotyczy budowy ptychograficznego mikroskopu fourierowskiego bazującego na konstrukcji mikroskopu biologicznego oraz oprogramowania go. Układ ten został wykorzystany do badania obiektów amplitudowych i fazowych. Zastosowana technika obrazowania charakteryzuje się niskimi wymaganiami technicznymi oraz zwiększeniem zakresu rozdzielczości pola widzenia klasycznego mikroskopu biologicznego. Jest jedną z zyskujących na popularności w ostatnich latach metod ilościowego odzyskiwania fazy z intensywności obiektu. Kluczową rolę odgrywa w niej udostępniony przez grupę prof. Laury Waller z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley algorytm rekonstrukcji napisany w języku MATLAB, który z serii obrazów o niskiej jakości generuje jeden obraz wynikowy o rozdzielczości wykraczającej poza możliwości takiego układu w konfiguracji klasycznej mikroskopii optycznej. Poprzez zmianę sposobu oświetlenia z konwencjonalnego układu żarówki halogenowej,soczewki polowej i kondensora stosowanych w oświetleniu Koehlera w mikroskopach biologicznych na matrycę niewielkich diod LED uzyskano odwzorowanie zakresu częstości przestrzennych nie mieszczących się w aperturze obiektywu. Zebrane fragmenty przestrzeni fourierowskiej były odpowiednio pozycjonowane, co pozwoliło na stworzenie z nich nowej, większej apertury obiektu zwanej aperturą syntetyczną. Zakres prac obejmował przegląd dotychczasowych rozwiązań konstrukcyjnych i technicznych dla ptychografii fourierowskiej, w jego efekcie wybrany został algorytmu rekonstrukcji prof. Laury Waller. Następnie układ został skonstruowany oraz wykorzystany do obrazowania badanych próbek i odzyskiwania z nich fazy i amplitudy przy pomocy wspomnianego programu. Zbudowany układ składał się z mikroskopu biologicznego Nikon Eclipse E200, obiektywu o niewielkim powiększeniu i aperturze numerycznej(4x 0,1 NA oraz 10x 0,25 NA), matrycy diod LED Gravity: I2C 8x16 RGB sterowanych za pomocą modułu Arduino UNO oraz kamery CMOS Basler acA3800-14um rejestrującej serie obrazów i obsługiwanej za pomocą oprogramowania sterującego napisanego w środowisku MATLAB. Niezbędne elementy mocujące nowe źródło oświetlenia zostały zaprojektowane w programie Inventor oraz prototypowane na drukarce 3D. Docelowe części są wykonywane z aluminium wg projektu stanowiącego załącznik pracy. Wynikiem przeprowadzonych pomiarów są rekonstrukcje fazy i amplitudy badanych elementów. Praca obejmuje ponadto porównanie efektów rekonstrukcji dla dwóch różnych obiektywów mikroskopowych, wybór próbek amplitudowych, fazowych, biologicznych oraz wskazuje źródła niedoskonałości metody i jej ograniczenia mające istotny wpływ na jej wynik. Wyszczególnione zostały również dalsze kierunki doskonalenia tej techniki obrazowania.
File
  • File: 1
    276737_inz.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 34009

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUTe3a88a6f51ac45f5bedddfae85e09708/
URN
urn:pw-repo:WUTe3a88a6f51ac45f5bedddfae85e09708

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page