Университет ИТМО Современные системы фотоники ОКТ цифровая голография

Университет ИТМО Современные системы фотоники: ОКТ, цифровая голография, трехмерная фотография Презентацию подготовил: Бухтияров Н. В. , группа V 3110 Санкт-Петербург 2016

Содержание 1. Введение 2. Оптическая когерентная томография 3. Цифровая голография 4. Трехмерная фотография

Современные информационные системы основываются на принципах фотоники – области науки и технологий, которая связана с использованием светового излучения (или потока фотонов) в оптических элементах, устройствах и системах, в которых генерируются, преобразуются, распро- страняются и детектируются оптические сигналы, а также производится их запись или отображение. Активное развитие фотоники при интеграции с компьютерными технологиями создает качественно новые возможности информационных систем применительно к решению широкого круга за- дач, определяемых приоритетными направлениями развития науки и критических технологий

Оптическая когерентная томография(ОКТ)

1) История термина Оптическая когерентная томография (ОКТ) – это метод диагностики, который позволяет с высокой разрешающей способностью получать томографические срезы внутренних биологических систем. Название метода впервые приводится в работе коллектива из Массачусетского технологического университета, опубликованной в Science в 1991 г. В 1994 г. разработанная технология ОКТ была передана зарубежному подразделению фирмы Carl Zeiss Inc. (Hamphrey Instruments, Dublin, США), и уже в 1996 г. была создана первая серийная система ОКТ, предназначенная для офтальмологической практики.

2) Принцип метода ОКТ заключается в том, что световая волна направляется в ткани, где распространяется и отражается или рассеивается от внутренних слоев, которые имеют различные свойства. Получаемые томографические образы – это, по сути, зависимость интенсивности рассеянного или отраженного от структур внутри тканей сигнала от расстояния до них. Процесс построения изображений можно рассматривать следующим образом: на ткань направляется сигнал от источника, и последовательно измеряется интенсивность возвращающегося сигнала через определенные промежутки времени. Так как скорость распространения сигнала известна, то по этому показателю и времени его прохождения определяется расстояние. Таким образом, получается одномерная томограмма (А-скан). Если последовательно смещаться по одной из оси (вертикальной, горизонтальной, косой) и повторять предыдущие измерения, то можно получить двухмерную томограмму. Если последовательно смещаться еще по одной оси, то можно получить набор таких срезов, или объемную томограмму. В ОКТ-системах применяется интерферометрия слабой когерентности. Интерферометрические методы позволяют значительно повысить чувствительность, т. к. с их помощью измеряется амплитуда отраженного сигнала, а не его интенсивность. Основными количественными характеристиками ОКТ-приборов являются осевое (глубинное, аксиальное, вдоль А-сканов) и поперечное (между Асканами) разрешение, а также скорость сканирования (число Асканов за 1 с).

3) Оптофизиология Это способ неинвазивного изучения физиологических процессов в тканях с помощью ОКТ чувствительна к пространственным изменениям в оптическом отражении или рассеянии света тканями, связанными с локальными изменениями показателя преломления. Физиологические процессы, происходящие на клеточном уровне, такие как деполяризация мембраны, набухание клеток и изменения метаболизма, могут привести к небольшим, но обнаруживаемым изменениям локальных оптических свойств биологической ткани.

Сравнительные характеристики коммерчески доступных ОКТприборов

Сравнительная характеристика современных моделей оптических когерентных томографов

Цифровая голография

1)Определение Цифровой голографией называется метод получения и восстановления голограмм, при котором основная роль отводится компьютеру. Роль компьютера заключается в расчете распределения коэффициента прозрачности или преломления по полю голограммы, которое затем записывается в оптической запоминающей среде. С помощью компьютера рассчитывается и восстанавливается изображение, которое записано на такой синтезированной голограмме и которое можно было бы получить оптическим путем. Методы цифровой голографии позволяют синтезировать оптические пространственные фильтры с комплексной функцией пропускания, записанные на одном физическом носителе.

2) Принцип работы

3) Специфика, развитие Специфика цифровой голографии такова, что обойтись без использования некоторых формул при изложении ее сущности невозможно. Однако авторы предлагают при первом прочтении опускать эти формулы, а тем, кого заинтересует цифровая голография и они захотят попробовать свои силы в создании синтезированных голограмм на персональных компьютерах, воспользоваться этими формулами для получения голограмм. Развитие цифровой голографии, машинных методов синтеза пространственных фильтров - два новых научных направления, способствующих решению проблемы распознавания, поскольку благодаря им открылись возможности создания гибридных систем, имеющих в своем составе цифровой, электронный и оптический процессоры. В сочетании с топографическими устройствами эти два направления приближают ученых и инженеров к построению высокоинтеллектуальных машинных систем с высокой производительностью и практически неограниченной памятью.

Трёхмерная фотография

Известно, что традиционная фотография обеспечивает получение двумерных изображений трехмерных объектов, при этом утрачивается информация об объекте вдоль третьей координаты. В ряде случаев возможно восстановить утраченную информацию. Известны методы определения формы трехмерных поверхностей на основе оптических стереосистем , которые можно отнести к классу систем «пассивного» наблюдения. Наряду с достоинствами (простота и относительно невысокая стоимость), такие системы обладают существенными недостатками – зависимостью результатов от характера объекта и условий освещения, чувствительность к влиянию фоновых засветок, сложность математических методов и компьютерных алгоритмов обработки и др.

В последние годы получили широкое распространение системы «активного» типа, в которых объект освещается источником излучения с известными свойствами, что позволяет преодолеть указанные выше недостатки традиционных методов. В качестве источника излучения может использоваться лазер, пучок которого сканирует объект. Использование различных методов модуляции излучения, чаще всего по амплитуде или частоте, позволяет реализовать режим лазерного дальномера для восстановления трехмерного рельефа поверхности Активное развитие компьютерных технологий и совершенствование технологии многоэлементных приемников излучения (видеокамер) позволило заменить электромеханическое сканирование электронным и создало предпосылки разработкиметодов восстановления трехмерной формы объектов более простыми техническими средствами на основе использования принципа «проекции полос» , сформированных в когерентном или некогерентном свете и «структурированного освещения» - освещения объектов некогерентным излучением с заданным пространственным распределением яркости.

Восстановление трехмерной формы объектов при структурированном освещении основывается на принципе триангуляции: при известном взаимном угловом расположении осей источника (проектора) и видеокамеры обеспечивается однозначное соответствие элементов проецируемого распределения яркости (так называемого «паттерна» ) и элементов видеокамеры в области наблюдения.

Источники 1) Куроедов А. В. , Захарова М. А. РМЖ «Клиническая Офтальмология» № 4 от 06. 11. 2015 стр. 204 -211 2) М. А. Волынский, И. П. Гуров, П. А. Ермолаев. Методы компьютерной фотоники 3) И. П. Гуров. Компьютерная фотоника: принципы, проблемы и перспективы