Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет Информационных Технологий, Механики и Оптики
НовостиУниверситет ИТМО
2017-09-14
Ученые Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО нашли, как сделать невидимое видимым.
   Ученые лаборатории "Цифровой и изобразительной голографии" Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО и лаборатории "Computational Imaging Group" Технологического университета Тампере усовершенствовали метод вычислительной обработки оптического сигнала в безлинзовых микроскопах. Они разработали алгоритм увеличения поля зрения и повышения разрешения безлинзового оптического микроскопа. С помощью специальных алгоритмов удалось повысить разрешение изображений, получаемых на таких микроскопах. Результаты научной работы были опубликованы в журнале Optica, который выпускается Оптическим сообществом Америки (OSA).

 
Николай Петров и Игорь Шевкунов
 
  Вычислительное построение изображения (Computational Imaging) и безлинзовая микроскопия

   Термин «Computational Imaging» можно перевести на русский язык как вычислительная визуализация, он обозначает подход к формированию изображений с помощью вычислительных методов из расфокусированных дифракционных картин. Этот современный подход используется при построении различных оптических приборов нового поколения: телескопов, микроскопов.
  Безлинзовый вычислительный микроскоп не имеет линз и микрообъективов, которые формируют изображение на светочувствительной матрице. Вместо этого исследуемый образец просвечивается (это может быть лазер или даже диод), после чего регистрируется картина дифракции света на объекте. Изображение из таких картин дифракции восстанавливается за счет компьютерных расчетов, выполняемых специальными алгоритмами. Безлинзовые микроскопы, как и голографические, обладают преимуществами. В традиционном оптическом микроскопе регистрируется сильно увеличенное фотографическое (амплитудное) изображение. Однако, если исследуемый объект прозрачный (как, например, многие живые клетки), фотографическое изображение получить не удастся без использования специальных красителей. Метод безлинзовой вычислительной микроскопии близок к голографии и устроен так, что обрабатывает не просто амплитудное изображение, а полную информацию о волновом поле, важной характеристикой которого является запаздывание световой волны по фазе. Фронт световой волны, проходящий сквозь прозрачный объект или отражающийся от его поверхности, в разных точках может по-разному замедляться или задерживаться в зависимости от оптических свойств объекта. Регистрируемая такими микроскопами информация о фазовом запаздывании позволяет визуализировать прозрачные объекты или измерять рельеф в трех измерениях.
  Компьютерные вычисления в системах безлинзовых микроскопов – это ключевой инструмент, с помощью которого не только формируется оптическое изображение, но также могут быть улучшены характеристики самого оптического сигнала, зарегистрированного матрицей светочувствительных элементов (иными словами, фотокамерой). Это значит, что, используя различные математические методы и алгоритмы, можно получать изображения более высокого качества при тех же аппаратных средствах.
 
Вычислительное расширение поля зрения
 
  Поле зрения – важная характеристика микроскопического изображения. Как правило, при увеличении разрешения увеличивается детализация изображения, но физические размеры наблюдаемой области объекта уменьшаются. В традиционной оптической микроскопии микрообъектив и тубусная линза фокусируют световое поле из маленькой области объекта в более крупную область регистрирующей матрицы – происходит увеличение изображения. Но размеры матрицы определяются при ее производстве и остаются фиксированными. Вычислительные методы позволяют обойти эти физические ограничения и увеличить поле зрения.
  Данные методы основаны на регистрации нескольких различающихся между собой дифракционных картин на фотокамере. Различия могут обеспечиваться разными методами, например, в данной работе использовались специальные фильтры, фазовые маски, вводимые в оптическую схему с помощью специального устройства: пространственно-временного модулятора света. После обработки картин дифракции, полученных с использованием таких масок, ученым удалось искусственно увеличить поле зрения (область, в которой сигнал был зарегистрирован) и, следовательно, увеличить разрешение.
  «За счет того, что мы используем разные маски, мы увеличиваем количество полезной информации, которую можно извлечь с помощью специальных алгоритмов. В данной работе мы применили ее, чтобы найти нерегистрируемую сенсором информацию между соседними пикселями. Это делается с помощью математического аппарата представления сигналов в виде разреженных множеств. На бытовом уровне это можно объяснить так. Представьте, что у вас есть лист бумаги в клеточку, на котором вы выбираете квадрат, скажем 8 на 8 клеток. Сами оптические поля по своей природе не дискретны, но вы можете регистрировать их только с помощью такой вот дискретной сетки – пикселей. Как правило, многие существующие методы вычислительного имаджинга сохраняют шаг дискретизации при восстановлении объекта. То есть, если вы зарегистрировали сигнал в квадрате 8 на 8 пикселей, то и восстановленное изображение будет продискретизировано так же. Однако если сигнал удовлетворяет некоторым критериям разреженности, то из зарегистрированного дискретного сигнала размером 8 на 8 пикселей можно восстановить всю недостающую информацию об объекте с меньшей дискретной сеткой: 16 на 16 или даже 32 на 32. При этом разрешение увеличивается в два или четыре раза соответственно. Кроме того, наш вычислительный алгоритм в процессе расчета экстраполирует сигнал за пределы области регистрации, то есть, в рассматриваемом нами примере, вокруг квадрата с сигналом размером 8 на 8 пикселей появляются дополнительные пиксели с сигналом, и поле зрения, таким образом увеличивается, а это, в свою очередь, приводит к повышению разрешения. Если говорить о материальных аспектах, то вычислительными методами мы увеличиваем разрешение изображения без улучшения качества регистрирующей матрицы и других технологических составляющих устройства. То есть мы экономим огромные средства, которые бы потребовались, чтобы технически улучшить аппарат для получения того же эффекта, который мы достигаем с помощью вычислений», – прокомментировал один из авторов статьи в журнале Optica, руководитель лаборатории Цифровой и изобразительной голографии Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО Николай Петров.

Вычислительное сверхразрешение
 
  Пространственное разрешение в микроскопии ограничено дифракционным пределом. Это значит, что невозможно до бесконечности увеличивать детализацию в изображении объекта, используя все более сильные микрообъективы. Не рассматривая проблему дискретизации, можно утверждать, что пространственное разрешение ограничено двумя параметрами: полем зрения и длиной волны используемого излучения. Чем меньше длина волны и чем больше поле зрения, тем лучше пространственное разрешение. Поскольку представленные в данной работе вычислительные алгоритмы искусственно увеличивают поле зрения, то увеличивается и пространственное разрешение.


Схема оптической установки. Источник: osapublishing.org

  «В перспективе развития данного направления для упрощения оптической системы необходимо исключить из схемы пространственный модулятор света и сократить количество масок-фильтров. Один из очевидных вариантов развития – это использование только одной маски, но с пошаговым перемещением. Это значительно удешевит разработанный нами вычислительный безлинзовый микроскоп, так как пространственный модулятор света – самый дорогостоящий элемент в таких системах», – добавил другой автор статьи в журнале Optica Игорь Шевкунов, сотрудник лаборатории Цифровой и изобразительной голографии и участник программы Fellowship в Технологическом университете Тампере.
 Улучшение техники безлинзовой вычислительной микроскопии позволит сделать еще один шаг вперед в повышении качества лабораторных и других исследований в области биологии, химии и других наук, а также в медицине.
 
 Статья
: Vladimir Katkovnik, Igor Shevkunov, Nikolay V. Petrov, and Karen Egiazarian, Computational super-resolution phase retrieval from multiple phase-coded diffraction patterns: simulation study and experiments, 2017, Optica.

 
В сентябре Николай Петров, дал интервью интернет-каналу "Русский материалист", где подробно рассказал о совместных разработках лаборатории "Цифровой и изобразительной голографии" Университета ИТМО, и лаборатории "Computational Imaging Group" Технологического университета Тампере.
Видеозапись интервью размещена на youtube и доступна по ссылке

 


 
2017-07-25
В Международном институте «Фотоники и оптоинформатики» Университета ИТМО закончила свою работу третья Международная летняя школа по фотонике и оптоинформатике – «Summer Camp in Photonics – 2017».
 
  17 июля в рамках третьей ежегодной Международной летней школы по фотонике и оптоинформатике «Summer Camp in Photonics - 2017» в Международном институте «Фотоники и оптоинформатики» Университета ИТМО были проведены заключительные занятия. В этих занятиях приняла участие группа, состоящая из тридцати трёх человек, студентов и преподавателей Делфтского университета (Голландия). Специалисты Международного института «Фотоники и оптоинформатики» познакомили иностранных гостей с Университетом ИТМО, рассказали о лабораториях, в которых они работают и основных результатах и достижениях. Затем для участников «Summer Camp in Photonics» были организованны мастер-классы в Международных лабораториях: «Квантовой информатики» и «Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий».


  В лаборатории «Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий» студентам из Голландии были продемонстрированы:
  • современные установки для Pump-probe спектроскопии, которая используется для измерения нелинейных откликов различных материалов, а также для их характеризации и определения возможных областей применения;
  • z-скан, который позволяет с большой точностью определять нелинейный показатель преломления различных материалов;
  • установки для генерации и детектирования терагерцового излучения в плазме, электрооптических кристаллах BBO, ZnTe и ZnSe;
  • современные установки для терагерцовой спектроскопии;
  • ближнепольный терагерцовый микроскоп.

  В лаборатории «Квантовой информатики» студенты из Голландии получили представление об основных принципах передачи данных по квантовым каналам, основных физических и технических принципах, на которых основана работа систем квантовой визуализации. Студентам также были продемонстрированы установки для передачи квантового ключа на поднесущих частотах.
  Студенты из Делфтского университета были в восторге от проведённых для них мастер-классов, материально-технической базы увиденных лабораторий и уровня научных исследований наших специалистов. После окончания занятий участники Международной летней школы по фотонике и оптоинформатике «Summer Camp in Photonics» выразили крайнюю заинтересованность в возможности пройти стажировку в одной из лабораторий Международного института «Фотоники и оптоинформатики». Кафедра Фотоники и Оптоинформатики всегда открыта и рада подобному международному сотрудничеству в сфере образования. И поскольку, в образовательную программу магистратуры Делфтского университета входит обязательная полугодовая стажировка в ВУЗе другой страны, мы надеемся, что кому-то из голландских студентов посчастливится реализовать свой интерес и пройти у нас на кафедре полноценный курс магистратуры.
 
Список участников Международной летней школы по фотонике и оптоинформатике «Summer Camp in Photonics – 2017»

 
2017-07-12
Сотрудники компании «NORINCO» прошли подготовку в Международной летней школе по фотонике и оптоинформатике «Summer Camp in Photonics - 2017».
  В рамках третьей ежегодной международной летней школы по фотонике и оптоинформатике «Summer Camp in Photonics - 2017» учёные и специалисты Международного института «Фотоники и Оптоинформатики» провели мастер-классы для иностранных специалистов из компании «NORINCO» (Китай).
 
  С 26 июня по 7 июля 2017 года группа специалистов из компании «NORINCO» (Китай) проходила программу повышения квалификация в Университете ИТМО. Даты пребывания были выбраны таким образом, чтобы ведущие специалисты крупного иностранного предприятия смогли поучаствовать в третьей ежегодной летней школе по фотонике и оптоинформатике «Summer Camp in Photonics». В рамках данной школы ученые Международного института «Фотоники и Оптоинформатики» прочитали лекции, а также провели мастер-классы по передовым научным направлениям, по которым ведутся исследования в их лабораториях.
  Руководитель Международного института «Фотоники и Оптоинформатики», заведующий одноимённой кафедрой, д.ф.-м.н., профессор Козлов Сергей Аркадьевич открыл серию мероприятий своей лекцией, посвященной обзору научных лабораторий и направлений, разрабатываемых кафедрой. Профессор кафедры, д.ф.-м.н. Виктор Георгиевич Беспалов вместе с руководителем лаборатории «Фемтомедицины», к.ф.-м.н. Ольгой Алексеевной Смолянской представили обзор передовых научных исследований в области фемтотехнологий, а также их применений в области передачи информации, медицины, безопасности и т.д. Руководитель лаборатории «Квантовой информатики», к.ф.-м.н. Артур Викторович Глейм в своей лекции очертил современное состояние такого важного и стремительно развивающегося направления, как квантовая информатика. Руководитель лаборатории «Цифровой и изобразительной голографии», к.ф.-м.н. Николай Владимирович Петров представил иностранным гостям обзор актуальных исследований в области цифровой голографии в видимом и терагерцовом частотных диапазонах.


  Зарубежные специалисты смогли принять участие в серии мастер-классов, проводимых лабораториями МИ ФиОИ. Под внимательным руководством специалистов Международного института «Фотоники и Оптоинформатики» гости смогли наблюдать филаментацию лазерного излучения в воздухе, генерацию спектрального суперконтинуума, а также терагерцового излучения в плазме. В рамках программы «Summer Camp in Photonics» специалисты компании «NORINCO» познакомились также с передовыми установками по защищенной передаче данных по квантовым каналам, методами по кодированию и детектированию сигнала в таких схемах.


  По окончании программы повышения квалификация руководитель делегации выразил общее восторженное мнение о Санкт-Петербурге, Университете ИТМО, программе «Summer Camp in Photonics», а также об учёных и специалистах Международного института «Фотоники и Оптоинформатики».
 

Список участников Международной летней школы по фотонике и оптоинформатике «Summer Camp in Photonics – 2017»

 

2017-07-11
Международный институт «Фотоники и оптоинформатики» Университета ИТМО открыл третью Международную летнюю школу по фотонике и оптоинформатике – «Summer Camp in Photonics – 2017»
 
  В начале лета Кафедру Фотоники и Оптоинформатики Университета ИТМО посетили учащиеся Университета Рочестера (США) для участия в третьей ежегодной Международной летней школе по фотонике и оптоинформатике «Summer Camp in Photonics».
  С 26 мая по 11 июня в Университете ИТМО проводилась ежегодная международная летняя школа для студентов, которую традиционно посещают учащиеся Университета Рочестера, США. Помимо них в школе приняли участие англоговорящие студенты Университета ИТМО. В рамках школы сотрудники Международного института «Фотоники и оптоинформатики» провели ряд ознакомительных лекций и мастер-классов по тематикам трех основных лаборатории: «Квантовой информатики», «Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий» и «Цифровой и изобразительной голографии». После прослушивания курса лекций студенты приступили к проведению исследований под руководством научных сотрудников Международного института «Фотоники и оптоинформатики».
  Лекционный курс летней школы исчерпывающе охватывал все современные направления исследований в области фотоники. Студенты заслушали такие обзорные лекции как:
  • Введение в фемтосекундную оптику (Introduction to the femtosecond optics).
  • Введение в терагерцовую оптику (Introduction to the terahertz optics).
  • Введение в квантовую информатику и квантовые вычисления (Introduction in the field of quantum information and quantum calculation).
  • Введение в цифровую голографическую микроскопию (Introduction to Digital holographic microscopy).
  • Введение в оптоинформатику (Introduction to optical information technologies).

  Полученные в ходе вводных лекции знания помогли студентам в изучении материала следующих лекций, т.к. они уже, опираясь на базовые знания в области, углублялись в специфические вопросы:
  • Взаимодействие электромагнитных волн оптического диапазона с биологическими тканями и обзор медицинских оптических методов диагностики (Interaction of optical electromagnetic waves with biological tissues and review of medical optical diagnostic methods).
  • Оптические нелинейности и сверхбыстрые процессы в полупроводниках: Экспериментальные методы. спектроскопия "накачка-зондирование" (Optical nonlinearities and ultrafast dynamics in semiconductors: experimental techniques. Pump-probe spectroscopy).
  • Защищенность систем квантовой коммуникации (Security of QKD systems),
и др.
  В практической части летней школы студенты имели уникальную возможность поработать на первой в России квантовой сети, запущенной в 2014 году и объединяющей несколько зданий Университета, а также принять участие в проведении эксперимента по генерации терагерцового излучения в плазме. По результатам данных исследований ими были представлены доклады.
 
 Список участников Международной летней школы по фотонике и оптоинформатике «Summer Camp in Photonics – 2017»

 
2017-07-07
Школьники лучших лицеев России прошли Летнюю учебную практику на лучшей кафедре лучшего университета России.
 
 

  На кафедре Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО с 14-го по 23-е июня прошли занятия Летней учебной практики  в рамках «Summer Camp in Photonics - 2017». В этом году «спецподготовку» к будущим научным свершениям прошли одиннадцать школьников. Все они — ученики 10-х классов ведущих профильных школ Санкт-Петербурга — Физико-математического лицея № 239 и Лицея информационно-коммуникативных технологий № 590. На протяжении двух недель ребята знакомились с последними исследованиями ученых в области квантовой информатики, биомедицины, фемтосекундной оптики, а также с другими перспективными направлениями фотоники. Школьникам даже посчастливилось поработать в группах с учеными кафедры над реальными научными разработками, и начать собственные исследовательские проекты.



  Содержание занятий ежегодно обновляется. Здесь не бывает одинаковых лекций из года в год, информация постоянно актуализируется. Например, в этом году ребята впервые познакомились с тем, как проходит оптическая диагностика в биомедицине.
  «Биомедицина, инновационные разработки новейшего диагностического оборудования — сейчас это одно из самых перспективных направлений, которое занимает ученых по всему миру. По этому направлению ведутся серьезные научные исследования, под которые выделяются большие гранты. Перспективные проекты в этой области есть и на нашей кафедре, мы активно сотрудничаем с передовыми медицинскими центрами, чтобы наша научная деятельность помогала врачам ставить правильные диагнозы. Обо всех этих перспективах мы рассказали ребятам. Надеемся, что они заинтересовались и в дальнейшем продолжат работу в этой области», — отмечает Наталья Андреева - руководитель Летней практики, заместитель заведующего кафедрой Фотоники и оптоинформатики.



  Первая Летняя учебная практика для школьников прошла на кафедре фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО еще в 2003 году. Все началось с клуба любителей физики, организованного несколькими сотрудниками кафедры, в том числе, Натальей Андреевой. В течение года ребята, начиная с 5-го класса, приходили в университет, где получали первое представление об оптике и физических явлениях, а школьники постарше могли побывать в научных лабораториях и поработать на оборудовании, к которому обычно допускают исключительно сотрудников университета. Продолжить практику можно было и в течение года — совместно с учеными кафедры школьники выполняли курсовые исследовательские проекты.
За несколько лет инициативу силами сотрудников - энтузиастов кафедры удалось превратить в регулярный проект, и выстроить системную работу со школами города. Как результат, этот проект даёт возможность ребятам сделать первый шаг в серьезную науку.
  «Как мне кажется, самое главное наше достижение по сравнению с 2003 годом и прошлыми годами, когда практика еще только развивалась, — это то, что сейчас ребята могут выполнять у нас не какие-то отработанные лабораторные работы, итог которых известен заранее, а делать часть общей большой научно-исследовательской работы вместе с молодыми учеными, — рассказывает Наталья Андреева. — Бывали случаи, когда они в ходе работы даже участвовали в весомых открытиях».



  Обучение проходит в виде лекций и мастер-классов, определенное время отводится на исследовательскую работу. Сами лекции проходят не в строгом академическом формате, а выстраиваются в форме диалога. Пообщаться с преподавателями, многие из которых еще совсем молодые специалисты, можно и в свободное время в неформальной обстановке во время кофе-брейков. По итогам обучения и исследовательской работы, которая ведется в группах вместе с молодыми учеными кафедры, ребята готовят отчеты. В будущем сами проекты и отчёты лягут в основу научных докладов, с которыми школьники смогут принять участие в престижных конференциях, собирающих специалистов по фотонике и оптоинформатике. И самое главное, любой из учащихся может выбрать наиболее понравившееся направление и продолжить работу над проектом в течение года. При этом, сотрудники кафедры всегда готовы оказать заинтересованным школьникам теоретическую и техническую поддержку.



   Список участников Международной летней школы по фотонике и оптоинформатике «Summer Camp in Photonics – 2017»


 
   1    2    3    4    5    Следующая
Design by Anton Alfimov         Powered by MagicTeam