Correlation and Spiral Microscopy using a Spatial Light Modulation

Dizertační práce je uceleným shrnutím výsledků dosažených v průběhu doktorského studia. V úvodní části práce je představena motivace, odborné a technické zázemí a grantová podpora realizovaného výzkumu. Popsány jsou také dosažené výsledky a jejich význam pro skupinu Experimentální biofotoniky, Ústavu fyzikálního inženýrství, Vysokého učení technického v Brně. Vědecká část práce je rozdělena do dvou hlavních bloků, které se postupně zabývají návrhem nových zobrazovacích koncepcí a technickou modifikací stávajících zobrazovacích systému v praktických aplikacích. Dosažené vědecké výsledky podporují vývoj v oblastech korelační a spirální mikroskopie s prostorovou modulací světla. V části zabývající se návrhem nových zobrazovacích koncepcí je provedena studie korelačního zobrazení v podmínkách proměnné časové a prostorové koherence. Následně jsou zkoumány možnosti praktického využití vírových a nedifrakčních svazků v oblastech korelační, holografické a optické mikroskopie. Interference vírových svazků a samozobrazení nedifrakčních svazků je postupně využito k dosažení 3D zobrazení s hranovým kontrastem a rotující bodovou rozptylovou funkcí. Pokročilé zobrazovací metody jsou úspěšně zavedeny optickou cestou ale i digitální modifikací holografických záznamů. Výsledky teoretických modelů a numerických simulací jsou doprovázeny praktickým vyhodnocením navržených zobrazovacích principů. V technicky zaměřené části jsou navrženy nové způsoby zavedení prostorové modulace světla, které umožňují rozšíření zorného pole v experimentech korelačního zobrazení a dosažení achromatizace při zobrazení pomocí programovatelných difraktivních prvků. Rozšíření zorného pole v korelačních experimentech umožňuje přizpůsobovací optický systém vložený do standardní zobrazovací sestavy. Achromatizace difraktivního zobrazení je zajištěna použitím speciálně navrženého refraktivního korektoru. V navazující části je navržena nová metoda krokování fáze, která pracuje s dvojlomností kapalných krystalů využívaných v systémech pro prostorovou modulaci světla. Použití metody je experimentálně demonstrováno v polarizačně modifikovaném Mirau interferometru. Získané technické zkušenosti jsou využity v praktickém návrhu a realizaci multimodálního zobrazovacího systému s prostorovou modulací světla.The doctoral thesis presents a review of the main research results obtained in the course of doctoral studies. In the introductory part, the motivation and technical support for the planned research are discussed in connection with research activities of the group of Experimental Biophotonics at the Institute of Physical Engineering, Brno University of Technology. The scientific part of the doctoral thesis is divided into two main parts devoted to new imaging concepts and modifications of current experiments to extend their application potential. Achieved results support the research development in the areas of correlation and spiral microscopy, utilizing a spatial light modulation as a key experimental technique. Among the new imaging concepts, the correlation imaging is examined under conditions of partial spatial and temporal coherence of light. Subsequently, the principles of singular optics and nondiffracting propagation of light are advantageously implemented in correlation, holographic and optical microscopy, resulting in advanced imaging techniques and holographic reconstructions. Specifically, the vortex and nondiffracting beams and the self-imaging effects are successfully deployed using either optical or digital tools and gradually applied to 3D spiral imaging ensuring the edge contrast enhancement or axial localization of microobjects by the rotating point spread function. The results obtained by the theoretical analysis and the experimental testing of the proposed imaging modalities are also presented. In the technical part of the doctoral thesis, up-to-date imaging configurations aided by a spatial light modulator are optimized, allowing the wide-field correlation imaging and achromatic high-resolution imaging by a programmable diffractive lens. In the correlation imaging, the enhanced field of view is achieved by deploying a relay optical system in standard experiments, while achromatic correction of diffractive lenses is implemented by a specially designed refractive corrector. Using birefringence of liquid crystal molecules of light modulating devices, a new phase-shifting technique is proposed and tested in polarization adapted Mirau interferometer. Acquired experimental know-how is fully exploited in the design of multimodal microscope working with different imaging modes implemented using an add-on module connected to standard microscope.