Здесь можно найти учебные материалы, которые помогут вам в написании курсовых работ, дипломов, контрольных работ и рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.
Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение оригинальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения оригинальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, РУКОНТЕКСТ, etxt.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии так, что на внешний вид, файл с повышенной оригинальностью не отличается от исходного.
Работа № 127885
Наименование:
Диплом Установка для исследования фазовых микрообъектов
Информация:
Тип работы: Диплом.
Добавлен: 20.10.2021.
Год: 2020.
Страниц: 121.
Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%
Описание (план):
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «МИРЭА – Российский технологический университет» РТУ МИРЭА Физико-технологическ й институт Кафедра оптико-электронных приборов и систем
РАБОТА ДОПУЩЕНА К ЗАЩИТЕ Заведующий кафедрой Кузнецов В.В. Подпись «___» ___ 20__ г.
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА по направлению подготовки магистров 12.04.02 Код направления подготовки Наименова ие «Оптотехника» направления подготовки на тему: Установка для исследования фазовых микрообъектов
Группа ЭОМО-01-18
Москва 2020 г.
РЕФЕРАТ
Выпускная работа содержит 120 страниц, 134 рисунка, 2 таблицы, 10 использованных источников, 8 приложений. Ключевые слова: микроскопия, фазовое изображение, интерферограмма, интерференция света. В данной выпускной работе выполнена разработка установки для исследования фазовых микрообъектов. На основе разработанной установки была проведена обработка реального тест-объекта различными методами фазовой микроскопии. В роли тест-объекта взяли зеркальную поверхность с царапинами. Перед реальной обработкой полученных интерферограмм данного объекта провели моделирование работы установки для исследования фазовых микрообъектов, а именно реализовали каждый алгоритм обработки фазовых изображений. Были показаны достоинства и недостатки каждого. Результаты выпускной квалификационной работы могут быть применены для проведения дальнейших научных исследований в изучении живых клеток. СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 6 ГЛАВА 1 Обзор методов фазовой микроскопии 7 1.1 Методы фазовых шагов 8 1.2 Метод на основе преобразования Гильберта 10 1.2.1 Гильберт-фильтры 12 1.2.2 Классический Гильберт-фильтр 13 1.2.3 Направленный Гильберт-фильтр 13 1.2.4 Гильберт-фильтр с единичным ортантом 14 1.3 Методы внеосевой цифровой голографии 15 1.3.1 Алгоритм А: классический алгоритм 17 1.3.2 Алгоритм В: алгоритм обрезанных кросс-корреляций 18 1.3.3 Алгоритм С: алгоритм мультиплексирования голограммы 19 1.3.4 Алгоритм D: комплексный алгоритм БПФ 20 1.3.5 Алгоритм Е: алгоритм повторной выборки 22 1.3.6 Алгоритм F: алгоритм комплексной повторной выборки БПФ 23 Выводы по главе 1 24 ГЛАВА 2 Описание экспериментальной установки 25 2.1 Оптическая схема 26 2.2 Описание методов получения фазовых изображений 27 Выводы по главе 2 31 ГЛАВА 3 Моделирование работы установки для получения изображений фазовых микрообъектов 32 3.1 Используемые средства моделирования 32 3.2 Исходные данные 33 3.3 Реализация методов 35 3.3.1 Метод фазовых шагов 35 3.3.2 Метод ГФМ 36 3.3.3 Классический алгоритм 38
Фазовая микроскопия привлекает в последние годы особое внимание. Это связано с уникальными свойствами фазовых изображений. В отличие от простых фотографий, фазовые изображения несут в себе не только информацию о живых клетках, но и о происходящих в них процессах. В настоящее время существует множество различных методов фазовой микроскопии. Развитие этих методов является актуальной задачей, так как они необходимы для проведения измерений и исследования различных микрообъектов, живых клеток и др.. Методы фазовой микроскопии полностью инвазивны. В полученных этим методом изображениях содержится информация о распределении оптической разности хода интерферирующих лучей. Развитие вычислительной техники позволило разработать ряд интерференционных методов, в которых изображения строятся по одной интерферограмме. В данной работе разработана установка для исследования фазовых микрообъектов. На данной установке проведена разработка различных алгоритмов обработки фазовых изображений. Первоначально провели моделирование работы установки, а затем получили фазовые изображения реального объекта. Затем выявили достоинства и недостатки каждого метода.? ГЛАВА 1 Обзор методов фазовой микроскопии
Оптическая микроскопия была наиболее часто используемым методом исследования в медицине и биологии, и в последние годы были разработаны различные технологии. Многие биологические образцы, включая живые клетки, достаточно прозрачны при освещении в видимом свете и ведут себя, в основном, как фазовые объекты. Получение количественной фазовой информации из прозрачных объектов с высокой точностью и низким уровнем шума позволяет применять новые методы в биологическом исследовании структуры и динамики. Однако многие процессы, происходящие на клеточном уровне, включая динамику цитоскелета, колебаний клеточной мембраны и нейронную активность, происходят в более короткие промежутки времени, вплоть до миллисекундного диапазона. Поэтому микроскоп, который позволяет получать полные количественные фазовые изображения с частотой кадров в килогерцах, может открыть дверь для количественной оценки неизведанных биологических явлений. В настоящее время существует множество различных методов фазовой микроскопии. Развитие этих методов является актуальной задачей, так как они необходимы для проведения измерений и исследования различных микрообъектов, живых клеток и др.. Методы фазовой микроскопии полностью инвазивны. В полученных этим методом изображениях содержится информация о распределении оптической разности хода интерферирующих лучей. Развитие вычислительной техники позволило разработать ряд интерференционных методов, в которых изображения строятся по одной интерферограмме. Рассмотрим основные методы далее.
Методы фазовых шагов
Наибольшее применение при построении интерференционных систем в последние годы получили методы получения и расшифровки интерферограмм на основе пошагового сдвига (метод фазовых шагов). Это вызвано простотой задания отдельных значений фазового сдвига, достаточно простыми алгоритмами и высокой точностью расшифровки. При этом существующие схемы интерферометров достаточно просто модифицируются. Благодаря своим достоинствам, такой метод получил распространение не только в оптике, но и в смежных областях техники, например, при измерениях в СВЧ диапазоне. Метод фазовых шагов основан на регистрации нескольких интерферограмм при изменении фазы опорной волны на известные значения. Первоначально этот метод был предложен для автоматизации интерференционных измерений на элементной базе современных средств обработки изображений и позволил не только повысить информационную емкость измерений, но, в ряде случаев, и повысить их точность. Физически фазовый сдвиг между интерферирующими пучками света достигается изменением оптической длины пути одного из этих пучков. Для определения фазового сдвига необходимо точно задавать или измерять это изменение оптической длины пути. Первые системы автоматической расшифровки интерферограмм методом фазовых шагов были снабжены прецизионными системами задания фазового сдвига, как правило, на основе пьезоприводов. Однако гистерезис пьезоэлемента, вибрации и воздушные потоки могут дополнительно случайным образом изменять оптическую длину пути. Простейшая модель интерференционного сигнала имеет вид: I(x,y,?)=I^ (x,y)+I^ (x,y) cos?[?(x,y)+?] (1.1) где I’(x,y)= I_1+I_2, I^ (x,y)=2v(I_1 I_2 ), и ?(x,y)= 2?/?. Многошаговые методы могут записывать множество интерферограмм с различным сдвигом фазы. Благодаря этому, можно извлечь фазу в каждой точке интерферограммы. Если фазовые сдвиги одинаковы в интервале от 0 до p, т.е. di=2p(i-1)/m, то фаза f может быть определена как ?=arctg (?_(i=1)^m-?I_i sin???_i ? ?)/(?_(i=1)^m-?I_i cos???_i ? ?) (1.2) Алгоритмы, полученные при различных значениях m, называются m-точечными или алгоритмами с m-шагами. При трех произвольных сдвигах, решая тригонометрическую систему, состоящую из трех уравнений типа (1.1), имеем ?=arctg ((I_2-I_3 ) sin???_1 ?+(I_3-I_1 ) sin???_2 ?+(I_1-I_2 ) sin???_3 ?)/((I_3-I_2 ) cos???_1 ?+(I_1-I_3 ) cos???_2 ?+(I_2-I_1 ) cos???_3 ? ) (1.3) При d1 = 0° , d2 = 120° , d3 = 240° выражение (1.3) примет вид: ?=arctgv3 (I_3-I_2)/(?2I?_1-I_2 I_3 ) (1.4) Еще более простая формула получена для d1=p/4, d2=3p/4, d3=5p/4: ?=arctg (I_3-I_2)/(I_1-I_2 ) (1.5) При четырех фазовых сдвигах d1=0, d2=p/2, d3=p и d4=3p/2 получается такое же простое выражение: ?=arctg (I_4-I_2)/(I_1-I_3 ) (1.6) Эта формула часто используется при компьютерной обработке интерферограмм, т.к. математические операции, необходимые для ее реализации, являются очень простыми и могут быть реализованы с помощью основных команд процессора. Помимо приведенных выше существует достаточно много алгоритмов с большим числом фазовых сдвигов. Еще несколько лет назад ограничивающими факторами при использовании таких алгоритмов являлись: объем памяти для запоминания промежуточных кадров и время, необходимое для обработки. Лучшими алгоритмами считались те, которые использовали наименьшее число сдвигов и, соответственно, меньшее число кадров для хранения интерферограмм. Наиболее часто применялись трех- и четырехточечные алгоритмы. Повышение компьютерной мощности позволило применять алгоритмы с большим числом сдвигов. Обычно такие алгоритмы более устойчивы к ошибкам, возникающим при изменении освещенности вследствие механических вибраций, и к погрешностям установки фазового сдвига... ? ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе выполнения работы сделано следующее: Был проведен обзор методов фазовой микроскопии; Разработаны алгоритмы обработки фазовых изображений, которые изначально исследовали на модели интерференционного изображения; Проведен сравнительный анализ разработанных методов; Обработан реальный объект, полученный на установке для исследования фазовых микрообъектов, каждым методом. На экспериментальной установке были получены интерферограммы зеркальной поверхности с царапинами. Перед получением фазовых изображений царапин провели анализ разработанных методов на модели сферической волновой поверхности. Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы: Метода Гильберт Фазовой микроскопии, несмотря на довольно хорошую точность в обработке модели сферического волнового фронта, с реальным объектом показал плохой результат. Оказалось, что простые алгоритмы развертки в этом случае не работают. Метод фазовых шагов оказался наиболее точным. Это показано и в работе с реальным тест-объектом. Но здесь ряд минусов: это время работы и ограниченная область изображения. Со сжатым изображением метод не работает, поэтому приходится выделять квадратную область. Большое время работы связано с количеством интерферограмм и обработкой каждого пикселя. Поэтому данный метод является самым точным. Остальные алгоритмы позволяют обрабатывать любое изображение. Однако, с увеличением быстродействия каждого алгоритма, уменьшалась точность получения фазового изображения. Самыми оптимальными алгоритмами являются классический алгоритм и алгоритм повторной выборки. ? СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ П. Гиршовиц, Н. Т. Шакед, «Количественная реконструкция фазы в реальном времени в неосевой цифровой голографии с использованием мультиплексирования» статья 39(8), 2262–2265 (2014). Т. Икеда, «Гильберт Фазовая Микроскопия для исследования быстрой динамики в прозрачных системах» (2005) К. Ху и Г. Попеску. Количественная фазовая визуализация: принципы и применение в микроскопии сверхвысокого разрешения без меток, под редакцией В. Астратова (2019). С. К. Дебнатх и Ю. К. Парк, «Количественная фазовая визуализация в реальном времени с алгоритмом пространственного сдвига фазы», статья 36(23), 4677–4679 (2011). Ю. Ху, Ю. Вэнг, В. Джин и Х. Ву, «Новый метод выделения производной фазы для внеосевой количественной фазовой визуализации», статья 305, 13–16 (2013). Такэда М., Ина Х., Кобаяши С. Метод Фурье-преобразования анализа бахромы для компьютерной топографии и интерферометрии. статья 72(1), 156–160 (1982). Васильев В.Н., Гуров И.П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам – СПб.: БХВ – Санкт-Петербург, 1998. – 240 с. Лоренцо-Джинори Дж. В., 2D-преобразование Гильберта для приложений обработки изображений, 4-я Международная конференция «анализ и распознавание изображений» (2007) Тычинский В. П., Куфаль Г. Э., Вышенская Т. В., Переведенцева Е. В., Никандров С. Л. Измерения субмикронных структур на лазерном фазовом микроскопе «Эйрискан» // Квантовая электроника. – 1997. – T. 24. – № 8, – C. 754-758. Creath K. Phase-measurement interferometry techniques // Progress in Optics / Wolf E. – Amsterdam: Elsevier Science Publishers, 1988. – p. 349-393. Корешев С.Н. Основы голографии и голограммной оптики. – СПб: Университет ИТМО, 2016. – 104 с. Виноградова Г.Н., Захаров В.В.. Основы микроскопии. Часть 1. Учебное пособие. – СПб: Университет ИТМО, 2018. – 133 с. Гуров И.П. Формирование и анализ сигналов в системах компьютерной фотоники. Учебно-методическое пособие. – СПб: Университет ИТМО, 2018. – 108 с. Гонсалез Р., Вуде Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB. – Москва: Техносфера, 2006. – 616 с. ? Приложение 1. Метод фазовых шагов clear; close(); function [out]=resize(Topo, n, m, new_n, new_m)...
* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.
