بخشی از مقاله
چکیده -
تصویربرداری نوری از محیطهای کدر و دارای پیچیدگی یکی از چالشهای میکروسکوپهای نوری به شمار میرود. نور عبوری از نمونههای ناهمگن مانند سلولهای زیستی پراکنده میشود و تشکیل پیسه میدهد. در این مقاله روشی بر پایهی اثر اپتیکی shower-curtain در فضای فوریه برای تصویرگیری از اجسام پنهانشده در پشت لایههای پراکننده و ارتقاء کیفیت تصاویر ثبت شده معرفی شده است. با به کارگیری یک الگوریتم بازیابی فاز بر روی خودهمبستگی الگوی پیسههای تشکیل شده می توان به اطلاعات شیء اولیه دست یافت.
-1 مقدمه
تصویربرداری از محیطهای کدر و پراکننده یکی از بزرگترین مسائل حال حاضر در اپتیک است وکاربردهای گستردهای در زمینههای مختلف از پزشکی و زیستشناسی تا مهندسی و نانوتکنولوژی دارد.[1] با عبور نور از نمونههای پیچیده مانند بافتهای زنده پراکندگی ایجاد میشود و نور فرودی تشکیل الگوهای پیسهای می دهد که منجر به کاهش توان تفکیک و عمق نفوذ میگردد .
برای تصویرگیری در چنین محیطهایی تا کنون روش های مختلفی مانند تصویربرداری روح ghost [2] - Imaging - ، شکلدهی جبهه موج - wavefront [3] shaping - ، اثر حافظه [4] - memory effect - ، همیوغ فاز[5] و وارون ماتریس پراکندگی[6] - scattering matrix inversion - پیشنهاد شده و پیشرفت های زیادی در این زمینه انجام شده است.
مشکل عمده ی بیشتر روشهای پیشنهادی محدودیت آنها در بررسی نمونههای زنده و در حال حرکت است و اغلب در این شرایط تصویر بازسازی شده فاقد توان تفکیک کافی است. برای رفع این محدودیت میتوان از اثری کاملآ اپتیکی به نام "shower-curtain effect" - SCE - استفاده کرد. با این روش امکان تصویربرداری از نمونههایی که در پشت لایههای کدر با ضخامت چندین میلیمتر قرار گرفتهاند، وجود دارد .
در این مقاله با استفاده از چیدمانی اپتیکی به تصویربرداری از اجسامی پرداخته شده که در بین دو سطح ناصاف قرار گرفته اند. همچنین نشان داده شده است که با بکارگیری - SCE - میتوان کیفیت تصاویر بازسازی شده را ارتقاء داد. رهیافت تصویربرداری از محیط پراکننده برپایهی بازسازی تبدیل فوریهی شیء با روش همبستگی توزیع شدت پیسهای است. این روش بدون نیاز به چیدمانهای پیچیده و تنها با استفاده از قطعات اپتیکی ساده تصویربرداری در ضخامت-های میلیمتری از بافتهای زنده را امکانپذیر میکند که از نیازهای تصویربرداری پزشکی برای تشخیص بسیاری از بیماریها بدون استفاده از امواج مخرب ایکس و فرابنفش است.
-2 تئوری
پخشکنندههای نور ابزاری هستند که باعث پراکندگی و منحرف شدن نور از مسیر اصلی میشوند که از آنها برای شبیهسازی پراکندگی در فضای واقعی استفاده شده است. از نقطه نظر اپتیکی و براساس SCE این قطعات اپتیکی همانند یک فیلتر عمل می کنند که فرکانس قطع در آنها وابسته به فاصلهی شیء و پخشکننده است. با کاهش فاصله، فرکانس قطع افزایش می یابد.
هنگامیکه یک پرتوی تکفام و همدوس نور لیزر از یک پخش کننده و سپس شیء عبور میکند، الگویی از پیسهها تشکیل میشوند که بنابر اثر حافظه با یکدیگر همبسته اند و اطلاعات شیء در آنها وجود دارد .[4] میدان شیء پیسهای بلافاصله بعد از شیء برابر همگشت شیء O - x,y - در تابع پاسخ ضربهی پیکربندی خاصی از پیسهها S - x,y - است،مانند یک تابع دلتا در نظر گرفت و در نتیجه تابع خودهمبستگی در رابطهی - 2 - برابر همگشت شیء است. با استفاده از یک الگوریتم بازیابی فاز - الگوریتم - Fienup می توان تصویر شیء را بدست آورد
-3 چیدمان و روش انجام آزمایش
چیدمان آزمایش در شکل 1 نشان داده شده است. نور لیزر هلیوم- نئون - طول موج 632/8 نانومتر، توان خروجی
- mW با استفاده از دو عدسی موازی می شود و پس از عبور از یک سطح ناصاف - d1 - که با پودری با شماره مش - - 250 ناصاف شده است، نمونه - - S را روشن می کند. نونه ماسکهایی است که با روش فوتولیتوگرافی تهیه شده اند. سطح ناصاف دیگری - d2 - که با پ.دری با شماره مش - - 400 ناصاف شده است، به عنوان محیط کدر - turbid - در فاصله ی 12 سانتی متری نسبت به نمونه قرار می گیرد.
با استفاده از یک عدسی شیئی میکروسکوپ با بزرگنمایی - MO - 4x تصویر سطح ناصاف دوم روی آشکارساز CMOS BFLY-U3-23S6M-C - با اندازه پیکسل 5.86 میکرومتر - ثبت می شود. هر دو سطح ناصاف روی یک میکروجابهجاگر خطی سوار شدند و امکان جابهجایی در راستای عمود بر محور نوری را دارند. با جابهجایی سطح ناصاف اول در راستای عمود بر محور نوری 3000 فریم با نرخ ثبت 20 فریم بر ثانیه - fps - توسط آشکارساز ثبت میشود.
اگر سطح پراکننده در مسیر باریکه همدوس نور لیزر قرار گیرد، همدوسی فضایی به اندازه پیسه ها کاهش می یابد. بنابراین با تنظیم شعاع همبستگی پیسههای تشکیل شده می توان تقریب میدان دور - فرانهوفر - را برای فواصلی در مرتبه پراش فرنل برقرار و از اطلاعات موجود در طیف فوریه-ی پیسهها برای بازسازی تصویر شیء استفاده کرد.
مطابق با رابطهی - 2 - با میانگینگیری از تصاویر پیسهای در فضای فوریه و اعمال یک فیلتر جریان تاریک - DC - برای حذف شدت زمینه، تابع خودهمبستگی پیسهها بدست میآید و سپس توسط یک فیلتر پنجرهای - Tukey Window - هموار میشود. تصویر بدست آمده مطابق با شکل 2 وارد الگوریتم - HIO - Hybrid Input- Output میشود. k نشان دهندهی تعداد تکرار است و پارامتر β ضریبی است که در الگوریتم مورد استفاده قرار میگیرد و برای بهترین بازسازی متغیر در نظر گرفته شده است k=10 - و β از 2 تا 0 با گام های . - 0,05 در مرحلهی آخر با بکارگیری یک الگوریتم کاهش خطا - Error-reduction - بازسازی نهایی تصویر انجام و نتیجه توسط یک فیلتر گاوسی هموار میگردد. نتایج حاصل در شکل 3 نشان داده شده است.
با جابهجایی d2 در راستایی عمود بر محور نوری مشاهده شد که تغییر چندانی در توان تفکیک تصویر ثبت شده ایجاد نمیشود.
-4 نتیجه گیری
در این مقاله با ثبت الگوی پیسه از اجسام با ابعاد میکرون پرداخته شده که بین دو سطح ناصاف قرار گرفتهاند، تصویربرداری شده است. با استفاده از خودهمبستگی میانگین الگوهای مختلف پیسه و الگوریتم بازیابی فاز HIO و ER در نرم افزار matlab تصویر پنهان شده میان دو سطح d1 و d2 بازسازی شد. نشان دادیم با جابهجایی سطح ناصاف دوم در راستای عمود بر محور نوری تغییری در توان تفکیک تصویر بازسازی شده ایجاد نمیشود. از این چیدمان ساده و غیرمخرب میتوان در پزشکی برای بازیابی اطلاعات دامنه و فاز نمونههای دینامیکی و سلولهای زیستی که در پشت لایه های پراکننده قرار گرفته اند استفاده کرد.
شکل :1 چیدمان آزمایش.
شکل :2 الگوریتم بازیابی فاز.
