Active holographic tomograph for measuring biological microbodies

Arkadiusz Kuś

Abstract

The thesis is based on a series of ten publications in reviewed journals eight of which are on JCR list and the remaining two are published in reviewed conference materials. The enclosed guide to the publications describes the research performed during the preparation of the PhD thesis. The topic of this work is the development of holographic tomography systems designed for biological samples. The proposed systems exhibit increased measurement range and offer improved reconstruction accuracy. There are two types of systems described in the thesis: tomography with object rotation, which provides full projection angle, and with illumination scanning, which exhibits limited projection angle. The first type of the built measurement systems used rotation of the object placed inside a capillary. The simplified design of the optical setup was successfully used to retrieve 3D refractive index distribution of live cells and 3D phase phantoms. The results of these measurements were later used as reference data for testing algorithms in limited-angle optical diffraction tomography. The main focus in this work was the development and enhancements of the limited-angle tomography systems. The proposed measurement systems provide extended measurement range, enable more illumination scenarios and offer increased depth of field and improved reconstruction accuracy. The optical system was built as a Mach-Zehnder-interferometer-based holographic microscope with a custom-built optical system in the reference beam, which introduced the flexibility in choosing a sample illumination scenario, and with electrically-driven defocusing lens in imaging module. A thorough analysis of the influence of illumination optical system and scanning errors on the reconstruction quality was performed. By replacing mechanical scanning with a liquid crystal spatial light modulator (LC SLM) and actively correcting the systematic errors of the illumination wavefront, the accuracy of the reconstruction was improved. Finally, a new type of objects as calibration phantoms for holographic tomography was verified. The developed systems were also applied to study human cancer cells and mouse fibroblasts and myoblasts.
Rodzaj dyplomuPraca doktorska
Autor Arkadiusz Kuś (WM / IMiF)
Arkadiusz Kuś
- Instytut Mikromechaniki i Fotoniki
Tytuł w języku polskimAktywny tomograf holograficzny do pomiaru mikroobiektów biologicznych
Językpl polski
Jednostka dyplomującaWydział Mechatroniki (WM)
Dyscyplina naukibudowa i eksploatacja maszyn / dziedzina nauk technicznych / obszar nauk technicznych
Data rozpoczęcia01-11-2012
Data obrony13-12-2017
Data zakończenia 20-12-2017
Promotor Małgorzata Kujawińska (WM / IMiF)
Małgorzata Kujawińska
- Instytut Mikromechaniki i Fotoniki
, Michał Józwik (WM / IMiF)
Michał Józwik
- Instytut Mikromechaniki i Fotoniki
Paginacja 165
Słowa kluczowe w języku polskimoptyka, cyfrowa mikroskopia holograficzna, tomografia, mikrostruktury biologiczne, projektowanie układów optycznych
Słowa kluczowe w języku angielskimoptics, digital holographic microscopy, tomography, biological microstructures, optical design
Streszczenie w języku polskimPodstawa˛ pracy jest cykl dziesięciu publikacji recenzowanych, w tym ośmiu z listy czasopism JCR i dwóch publikacji w recenzowanych materiałach konferencyjnych. W załączonym przewodniku podsumowałem zrealizowane w trakcie przygotowania rozprawy badania. Tematem pracy jest budowa układów pomiarowych tomografii holograficznej przeznaczonych do badań obiektów biologicznych, zwiększenie zakresu pomiarowego oraz poprawa jakości rekonstrukcji tomograficznej. W pracy przedstawiłem dwa kierunki rozwoju systemów tomografii holograficznej - z obrotem próbki oraz ze zmiana˛ kierunku oświetlenia w ograniczonym zakresie kartowym projekcji. W zakresie układów pomiarowych z obrotem próbki zaprezentowałem nowe możliwości modyfikacji mikroskopu holograficznego, które znacznie upraszczają budowę urządzenia i nadają się do badania żywych komórek umieszczonych w kapilarze, obracanej w trakcie pomiaru. Ponadto zaprezentowałem budowę fantomu fazowego dedykowanego do techniki z obrotem obiektu, który służyć może do badań jakości rekonstrukcji. Układ posłużył do akwizycji danych referencyjnych do rozwoju algorytmów dedykowanych do tomografii z silnie ograniczonym zakresem danych. W pracy przedstawiłem analizie budowy układów optycznych, a w szczególności przeanalizowałem wpływ kondensorów tomograficznych na pomiary fazy, a także zaprezentowałem zależność jakości rekonstrukcji tomograficznej od błędów skanowania. W zakresie układów ze zmiana˛ kierunku oświetlenia w ograniczonym zakresie kątowym zaproponowałem nowatorskie modyfikacje układu oświetlającego, które umożliwiły poprawę˛ parametrów funkcjonalnych, uproszczenie konstrukcji układu, korekcje˛ błędów związanych z układem pomiarowym, jak również rozszerzenie głębi ostrości w objętości pomiarowej. Uproszczenie konstrukcji układu zrealizowałem poprzez budowę systemu w zmodyfikowanej konfiguracji interferometru Macha-Zehndera, z dedykowanym układem optycznym. Dzięki temu możliwe było zwiększenie liczby dostępnych kierunków oświetlenia podczas pomiaru i uzyskanie stałej częstości nośnej prążków w hologramach. Poprzez zaprezentowany w pracy układ aktywny - ze zmiana˛ kierunku oświetlenia za pomocą˛ ciekłokrystalicznego, fazowego przestrzennego modulatora światła - zrealizowałem tomografie˛ w ograniczonym kącie projekcji o zwiększonej dokładności. Zweryfikowałem również możliwość przygotowania fantomów kalibracyjnych w technice dwufotonowej polimeryzacji. Przygotowane przeze mnie rozwiązania wykorzystałem również˙ do badań przyżyciowych ludzkich komórek rakowych i fibroblastów oraz mioblastów mysich.
Plik pracy
RozprawaAK-wydruk-2017-10-18.pdf z dnia 04-12-2017
57.94 MB

Pobierz odnośnik do tego rekordu

Powrót