Методи та програмне забезпечення для зйомки тривимірних цифрових зображень шляхом використання просторової демодуляції

Автор(и)

  • В. М. Боровицький Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
  • О. Є. Гудзь Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

DOI:

https://doi.org/10.31649/1681-7893-2023-45-1-17-26

Ключові слова:

цифрова обробка зображень, тривимірне цифрове зображення, просторова модуляція освітлення, оптичний мікроскоп, демодуляція

Анотація

У статті запропоновано узагальнений метод демодуляції, який може бути застосований для захоплення цифрових тривимірних зображень в оптичних мікроскопах. Він дозволяє розрахувати контраст гармонічної просторової модуляції з будь-якими значеннями фазових кутів. Вхідними даними є стек цифрових зображень з гармонічною просторовою модуляцією. Три цифрові зображення з різними фазами модуляції, зняті в одній позиції фокусування, обробляються для отримання одного набору даних про розподіл контрасту. Ці дані дозволяють скласти тривимірні зображення шляхом вибору максимальних значень контрасту в тривимірному просторі. У статті наведено аналітичний розв’язок системи з трьома лінійними рівняннями, що дозволяє ідентифікувати основні параметри гармонічної просторової модуляції, включаючи її середнє значення та контраст. В результаті вираз для розрахунку контрасту присутній в аналітичній формі. Цей вираз справедливий для будь-яких фазових кутів модуляції, які не збігаються. Стаття містить моделювання в середовищі MathCAD, яке ілюструє процедуру складання тривимірних зображень. Моделювання підтверджує правильність описаних розрахунків і демонструє побудову тривимірного зображення поверхні як композиції карти розподілу контрасту та відповідної карти висот. Перевагою запропонованої методики є можливість застосування економних вузлів для формування гармонійної просторової модуляції. Ці пристрої можна встановити на більшість оптичних мікроскопів із цифровими камерами та моторизованими приводами фокусування без придбання дорогого комерційного програмного забезпечення. Це значно здешевлює перетворення цих оптичних мікроскопів на інструменти для отримання цифрових тривимірних зображень.

Біографія автора

В. М. Боровицький, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

д.т.н., професор кафедри комп’ютерно-інтегрованих оптичних та навігаційних систем приладобудівного факультету

Посилання

J. Mertz. Introduction to Optical Microscopy. 2th ed. Cambridge: Cambridge University Press; 2019.

J. T. Frohn Super-Resolution Fluorescence Microscopy by Structured Light Illumination: dissertation … Doctor of technical sciences. Zurich: Jan Tillman Frohn; 2000. 43 p.

T. Wilson, C. J. R. Sheppard. “Theory and Practice of Scanning Optical Microscopy”. London: Academic Press; 1984.

A. Weigel. “Resolution in the ApoTome and the confocal laser scanning microscope: comparison”. Journal of Biomedical Optics, vol. 14(1) 2009; 014022: 8-1.

A. Mazhar. “Structured illumination enhances resolution and contrast in thick tissue fluorescence imaging”. Journal of Biomedical Optics, vol. 15(1) 2010; 014022: 3-1.

V. Borovytsky. “Digital optical microscope as a sampled imaging system: mathematical description, camera selection and focusing”. Proceedings of the SPIE 8486, Current Developments in Lens Design and Optical Engineering XIII; 2012 Oct 11; San Diego, United States.

Available from: https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/8486/1/Digital-optical-microscope-as-a-sampled-imaging-system--mathematical/10.1117/12.928955.full

M. A. A. Neil, R. Juskaitis, T. Wilson. “Method of obtaining optical sectioning using structured light in a conventional microscope”. Optics Letters, vol. 22(24) 1997; 001905: 1907-1905.

L. Schafer, D. Schuster. inventors; “Carl Zeiss Imaging Solutions Jena GmbH, assignee. Methods and devices for images processing with higher harmonics of an illumination grating”. United States patent US 20080069467. 2008 Mar 20.

D. Arbuckle. inventor; “Quorum technologies Inc., assignee. Projection device for patterned illumination and microscopy”. United States patent US 2009 0147354 A1. 2009 Jul 11.

H. Nakayama, Y. Ouchi, inventors; “Nikon corporation, assignee. Structured illumination device and structured illumination microscope device”. United States patent US 2009 0147354 A1. 2018 Feb 20.

V. Gerstner, F. Hecht, R. Lange, H. Bloos inventors; Carl Zeiss Jena GmbH, assignee. Assembly for increasing the depth discrimination of an optical imaging system. United States patent US 6 819 415 B2. 2004 Nov 16.

V. M. Borovytsky, V. I. Mykytenko, О. Ye. Hudz. Generalized demodulation technique for obtaining three-dimentional digital images and its software implementation. Bulletin of the Cherkasy State Technological University vol. 4 2021; 252780: 53-45.

V. M. Borovytsky, О. Ye. Hudz, S. Tuzhansky. “Method of calculation of the point spread function of an optical system”. Optical-electronic information and energy technologies, vol. 1(41) 2021; p. 69-77.

Z. Bian, C, Guo, S, Jiang, editors. “Autofocusing technologies for whole slide imaging and automated microscopy”. Journal Biophotonics vol. 13 2020.

Available from: https://doi.org/10.1002/jbio.202000227

Olympus Life Science Europe GmbH. Olympus OptiGrid M; 2009.

Available from: https://www.lri.se/pdf/olympus/optigridM.pdf

ZEISS Apotome 3: Product Info. Carl Zeiss Microscopy GmbH 2020;

Available from: https://asset-downloads.zeiss.com/catalogs/download/mic/e3af6c29-7d61-4cee-a563-6095486fb89a/EN_product-info_Apotome3_rel2-0.pdf

Olexander N. Romanyuk, Sergii V. Pavlov, and etc. "A function-based approach to real-time visualization using graphics processing units", Proc. SPIE 11581, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High Energy Physics Experiments 2020, 115810E (14 October 2020); https://doi.org/10.1117/12.2580212.

##submission.downloads##

Переглядів анотації: 51

Опубліковано

2023-09-28

Як цитувати

[1]
В. М. Боровицький і О. Є. Гудзь, «Методи та програмне забезпечення для зйомки тривимірних цифрових зображень шляхом використання просторової демодуляції », Опт-ел. інф-енерг. техн., вип. 45, вип. 1, с. 17–26, Вер 2023.

Номер

Том 45 № 1 (2023)

Розділ

Методи та системи оптико-електронної і цифрової обробки зображень та сигналів

Метрики

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Ліцензія

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

  1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
  2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
  3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).