Forskere beskæftigede sig med holografi i hurtig estimering af partikler i medier

Optiske ingeniører fra ITMO University i Sankt Petersborg udviklede en ekspresmetode til at estimere fordelingen af ​​partikler i optisk transparente medier baseret på korrelationsanalyse af hologrammer. Som en stor del af undersøgelsen, de skabte en algoritme, der er i stand til at behandle billeder på få sekunder. Den nye metode kan anvendes på tekniske enheder til overvågning af metalspåner i motorolie, studere et plankton i vand, eller sporing af vira i levende celler. Værket blev udgivet i Videnskabelige rapporter .

Typisk, holografi er forbundet med tredimensionelle billeder af museumsrelikvier, souvenirs, mærkning af produkter og beskyttelsesskilte. Men det bruges også i industrien til at studere overfladens ruhed og deformationer i produkter.

I den nye undersøgelse, forskere fra ITMO University Tatiana Vovk og Nikolay Petrov udviklede en metode til ekspresanalyse af fordelingen af ​​mikroskopiske partikler i transparente medier. Tilgangen er baseret på Gabor holografi, den enkleste og historisk set den første type holografi.

De eksperimentelle resultater behandlet af computersimuleringssoftware viste, at metoden hurtigt analyserer koncentrationen, gennemsnitlig diameter og gennemsigtighedshastighed af partikler i et prøvemedium.

Tatiana Vovk, forsker ved Institut for Fotonik og Optisk Informationsteknologi ved ITMO University kommenterer:"Der er mange måder at visualisere partikler i suspension eller aerosol på, samt metoder til at behandle disse billeder. Men de tager ret lang tid, og nogle kan ikke klare at analysere medier med høje koncentrationer af partikler. Derfor, vores mål var at lave en ekspresmetode, der kunne undersøge prøver med enhver mængde partikler i realtid og kunne være klar til industriel implementering."

Fra nu af, forskerne viste metodens grundlæggende funktionalitet, men de tror, ​​at det vil være nyttigt i mange grene af videnskab og teknik. På baggrund af undersøgelsen, ingeniører kan bygge analyseenheder til realtidsovervågning af partikelstrømmene og, for eksempel, bruge dem til at bestemme antallet af partikler i maskinolien. "Friktionen i mekaniske dele forårsager frigivelse af metalspåner i fedtet. De cirkulerer med olien og slider på mekanismen. Enheden kunne hjælpe med at evaluere dette slidniveau ved at undersøge forureningen af ​​fedtet, " tilføjer Tatiana Vovk.

Biologiske anvendelser af denne teknologi er interessante, såvel. Ifølge videnskabsmænd, deres metode giver dem mulighed for at studere renheden af ​​søer og floder gennem bestemmelse af planktongennemsigtigheden i vandprøver. Denne parameter, på tur, angiver reservoirets økologiske tilstand, da mikroorganismers optiske egenskaber i høj grad afhænger af habitatet.

Forskerne overvejer muligheden for tilpasning af denne teknologi til at spore viruspartiklerne i levende celler. "Når man udforsker mekanismer for virustransport, forskere anvender fluorescerende mikroskopi. En sådan analyse kræver behandling af store mængder data. Vores metode kan potentielt hjælpe til hurtigt at behandle disse hundreder og tusinder af billeder taget fra et mikroskop. Men vi har brug for hjælp fra nogle biomedicinske eksperter til at løse opståede problemer og omhyggeligt at forstå, hvordan man kombinerer fluorescensmikroskopi med digital holografi på den mest effektive måde, " siger Nikolay Petrov, leder af Digital and Display Holography Laboratory ved ITMO University.

For at opnå partiklernes parametre, forskerne eksponerer prøven med den kollimerede laserstråle og får det digitale Gabor-hologram. Så udtrækker de to flade billeder fra hologrammet. Fokuseringen på disse billeder udføres ved hjælp af beregningsmetoder, en matematisk simulering. Den hurtige billedbehandling foregår i kraft af korrelationsfunktionen. Forskerne sammenligner billederne og får derved den nødvendige information om hele fordelingen af ​​partikler.

Korrelationsanalyse anvendes i vid udstrækning, ikke kun i billedbehandling, men også i statistisk fysik og andre discipliner, der studerer tilfældige processer. For eksempel, den afslører sammenhængen mellem de observerede værdier og typerne af partikler, der frigives fra kollisioner inde i Large Hadron Collider.