Numerični postopki samodejnega ostrenja za brezlečno holografsko mikroskopijoCimperman, Žan (Avtor) Bürmen, Miran (Mentor) Naglič, Peter (Komentor) brezlečna holografska mikroskopijaMiejeva teorijametoda T-matrikmetoda kotnega spektraeksperimentalni hologramisamodejno ostrenjemetrike ostrostimetode optimizacijegloboko učenjedimenzioniranjelomni količnikBrezlečna holografska mikroskopija je preprosta in kompaktna slikovna tehnika, ki jo sestavlja koherentni vir svetlobe in slikovno tipalo. Opazovani vzorec navadno postavimo čim bliže slikovnemu tipalu, na katerem nastane interferenčni vzorec, znan tudi pod izrazom hologram, ki je posledica interference med referenčnim nespremenjenim elektromagnetnim valom ter sipanim objektnim elektromagnetnim valom. Hologram vsebuje informacijo o amplitudi in fazi elektromagnetnega vala, ki jo je mogoče numerično rekonstruirati. Numerična rekonstrukcija nam v nasprotju s konvencionalno mikroskopijo omogoča naknadno ostrenje na poljubni fokusni razdalji, s čimer hologram nosi trirazsežno informacijo o opazovanih objektih. Za ostro rekonstrukcijo objekta je potrebno izbrati ustrezno fokusno razdaljo, ki je enaka fizični razdalji med objektom in slikovnim tipalom. Fokusno razdaljo lahko določimo ročno z vizualnim ocenjevanjem ali samodejno z uporabo metod samodejnega ostrenja. Algoritme samodejnega ostrenja vrednotimo na sintetičnih in eksperimentalno zajetih hologramih. Prvi so običajno modelirani z metodo kotnega spektra, ki je ista numerična metoda propagacije, kot se uporablja za rekonstrukcijo hologramov. To lahko prikrije nekatere napake, ki nastanejo kot posledica predpostavk numerične propagacije. Poleg tega metoda kotnega spektra ne more modelirati hologramov resnično trirazsežnih predmetov. V nasprotju s tem pa lahko na eksperimentalno zajete holograme vpliva šum in drugi artefakti, ki so posledica neusklajenosti med parametri eksperimentalne postavitve in parametri pripadajočega modela, kot so valovna dolžina svetlobe in velikost slikovnega elementa. Prav tako v tem primeru ne poznamo točne razdalje med objektom in slikovnim tipalom. V magistrskem delu smo predlagali objektivno vrednotenje algoritmov samodejnega ostrenja na hologramih, ki jih modeliramo z Miejevo teorijo in metodo T-matrik. Prednost obeh metod je modeliranje hologramov trirazsežnih sferičnih objektov. Implementirali smo različne algoritme samodejnega ostrenja in jih kvantitativno ovrednotili ter primerjali glede na natančnost določanja fokusne razdalje in časovno učinkovitost. Za potrebe izvajanja iterativnega algoritma za samodejno ostrenje v realnem času smo s pomočjo knjižnice PyOpenCL implementirali algoritme za izvajanje na grafičnih procesorskih enotah. Naša najboljša implementacija algoritma samodejnega ostrenja dosega srednjo absolutno napako 1,61 µm, pri čemer ena iteracija algoritma na hologramu velikosti 1024×1024 traja 330 µs. To omogoča obdelavo približno 20 hologramov na sekundo. Rezultati predstavljajo odlično izhodišče za uporabo v mikrofluidičnih aplikacijah, kjer je za sledenje ter določanje velikosti in lomnega količnika mikroskopskih delcev potrebno izvajanje v realnem času. Prav tako smo preučevali različne arhitekture modelov globokega učenja za napoved fokusne razdalje, premera in lomnega količnika mikroskopskih delcev. Z modeli globokega učenja, ki jih naučimo s sintetičnimi hologrami, modeliranimi na podlagi Miejeve teorije, smo za fokusno razdaljo dosegli najboljšo srednjo absolutno napako 1,60 µm. Srednja relativna napaka napovedi premera je bila pod 0,5 %, srednja relativna napaka napovedi fokusne razdalje in lomnega količnika pa celo pod 0,05 %. Obdelava enega holograma velikosti 150×150 je trajala približno 0,1 ms.20222022-09-19 12:05:00Magistrsko delo/naloga140830sl