Stiklveida ķermeņa apduļķojumu efektu samazināšana/likvidēšana izmantojot fāzes informācijas iegūšanu ar kodēto difrakcijas struktūru metodi (2017. - 2020.)

 

Projekta vadītājs Varis Karitāns

Vienošanās Nr. 1.1.1.2/16/I/001

Pētniecības pieteikuma Nr. 1.1.1.2/VIAA/1/16/199

Projekta mērķis ir attīstīt neinvazīvu optisko sistēmu un metodi stiklveida ķermeņa apduļķojumu radīto nevēlamo efektu mazināšanai/kompensēšanai. Stiklveida ķermeņa apduļķojumi izpaužas kā redzeslaukā peldošas ķēdītes, aplīši, kā arī citas struktūras, kas faktiski ir caurspīdīgi fāzu difrakcijas režģi. Ar šo redzes diskomfortu radošo problēmu saskaras aptuveni 80 % cilvēku. Problēma tiks risināta, izmantojot kodēto difrakcijas struktūru metodi šo objektu struktūras noskaidrošanai un gaismas modulācijai tā, lai šo apduļķojumu efektus samazinātu. Kodēto difrakcijas struktūru metode ir viena no populārākajām skaitliskajām metodēm objektu fāzes un struktūras noteikšanai. Šī metode ir piemērota optisko aberāciju mērīšanai, proteīnu kompleksu struktūras novērtēšanai, kristālu struktūras noteikšanai un citiem mērķiem. Projekta gaitā tiks novērtēta arī šis metodes pielietojamība jaunu viļņu frontes sensoru radīšanai astronomijas vajadzībām, kā arī mikrofluīdikas sistēmās šķidrumā esošu objektu struktūras noteikšanai. Šādi pētījumi ir nozīmīgi Latvijas industrijā, veicinot augsto tehnoloģijas produktu un uzņēmumu attīstību.

Projekts tiks realizēts LU Cietvielu fizikas institūtā sadarbībā ar Dublinas Universitātes Koledžas Optikas laboratoriju. Projektu plānots īstenot inovatīvo materiālu un tehnoloģiju nozarē izmantojot starpdisciplinaritāti - dabas zinātnes (1.1 matemātika (Mathematics), 1.3 fizika (Physical sciences), 1.4 Ķīmija (Chemical sciences)) un inženierzinātnes un tehnoloģija (2.5 materiālu zinātne (Materials engineering). Projektam ir tieša sasaiste ar Viedās specializācijas stratēģiju (VSS), jo projekta mērķi atbilst RIS3 noteiktajiem tautsaimniecības transformācijas virzieniem un izaugsmes 1., 2. 3. un 6. prioritātei. Projekts atbilst šādām zināšanu jomām: 1) viedie materiāli, tehnoloģijas un inženiersistēmas; 2) IKT, kā arī EK identificētajās atslēgtehnoloģijās (nanotehnoloģijas, mikro un nano-elektronika, fotonika, advancētie materiāli un ražošanas sistēmas, biotehnoloģijas). Projekta galvenās aktivitātes ir mikrooptikas un skaitļošanas optikas pētījumi, kā arī mikrofluīdikas attīstīšana.

Projekta realizācijas laiks 36 mēneši, kopējais finansējums 133,805.88 EUR.


Jaunumi par projektu

06.11.2020.

Izmantojot tiešā ieraksta litogrāfiju, veidotas dažādi mikrofluīdikas kanāli, kas iemontēti acs modelī stiklveida ķermeņa apduļķojumu pētījumiem. Veidoti dažādu plastmasu un polidimetilsiloksāna (PDMS) kontakti, kā arī pētīta otrā tipa kolagēna šķiedru ievadīšana mikrofluīdikas kanālā.

Izstrādātajā acs modelī apduļķojumi simulēti, gan izmantojot stiklā izkodinātas mikrostruktūras, gan mikrofluīdikas kanālu, caur kuru laistas otrā tipa kolagēna šķiedras. Lai simulētu dzīvu aci, acs modelī ietverta arī gaismu izkliedējoša vide, kas rada lāzeru speklus. Projekta aktivitāšu ietvaros pētīta apuļķojumu fāzes rekonstrukcija lāzera speklu klātbūtnē un apduļķojumu otrās kārtas kustība.

Apduļķojumu fāzes rekonstrukcija pētīta, izmantojot telpiskus gaismas modulatorus (SLM), kas modulē gan apduļķojumu amplitūdu, gan fāzi. Apduļķojumu fāze sekmīgi rekonstruēta, kā to pierāda rekonstrukcijas līdzība ar profilometra mērījumiem.

Ir arī izveidota galīgā optiskā sistēma apduļķojumu fāzes rekonstrukcijai un apduļķojumu efektu korekcijai acs modelī. Apduļķojumu korekcija tiek panākta, izmantojot fāzes modulatoru, kas tiek izmantots arī fāzes mērīšanai.

Aktivitāšu ietvaros veiktie pētījumi atspoguļoti šādās publikācijās:

  1. V. Karitans, K. Laganovksa, K. Kundzins, “Phase retrieval of a Kolmogorov phase screen from very sparse data using four binary masks,” Applied Optics 59(27), 8362-8369 (2020), DOI: 10.1364/AO.399018.
  2. V. Karitans, A. Tokmakovs, A. Antonuka, “The effect of noise, a constant background, and bit depth on the phase retrieval of pure phase objects,” (tiks publicēts žurnālā Optica Applicata 2021. gadā).
  3. V. Karitans, M. Ozolinsh, S. Fomins, A. Antonuka, N. Tetervenoka, "Phase retrieval of vitreous floaters: simulation experiment," Proc. SPIE 11548, Optical Design and Testing X, 115481K (10 October 2020), DOI: 10.1117/12.2573785.
  4. Maris Ozolinsh, Nicola Rizzieri, Varis Karitans, "Merits of vision in presence of light scattering using Tiffen ProMist filters," Proc. SPIE 11553, Optics in Health Care and Biomedical Optics X, 115531P (10 October 2020), DOI: 10.1117/12.2573388

Jaunumi par projektu

07.08.2020.

Ir pilnveidots acs modelis tā, lai cauri šajā modelī iekļautajam mikrofluīdikas kanālam būtu iespējams laist cauri 2. tipa kolagēna šķiedras, izmantojot mikrofluīdikas sūkni, kam pievienojamas šļirces. Acs modelim vēl tiks pievienota gaismu izkliedējoša vide, lai simulētu dzīvas acs optisko sistēmu. Ar Dublinas Universitātes koledžas Optikas laboratoriju šobrīd tiek apspriesta objekta fāzes rekonstrukcija gaismu izkliedējošā vidē, kā arī tiek veidota optiskā sistēma, lai objekta fāzi šādā vidē būtu iespējams rekonstruēt un kompensēt eksperimentāli.  Apduļķojumu fāzi paredzēts rekonstruēt un kompensēt, izmantojot telpiskus gaismas modulatorus, kas jau sistēmā iebūvēti. Minētā shēma tiks arī izmantota, lai ar kameru novērotu apduļķojumu 2. kārtas kustību. Paralēli ar ārzemju sadarbības partneri tiek arī apspriestas iespējas kompensēt acu kustības acs modeļa sistēmā.

Izrediģēts un žurnālam “Optica Applicata” atkārtoti iesniegts zinātnisks raksts “The effect of noise, a constant background, and bit depth on the phase retrieval of pure phase objects”. Tiek rediģēts arī žurnālam “Applied Optics” iesniegtais zinātnisks raksts “Phase retrieval of a Kolmogorov phase screen from very sparse data using four binary masks”, kam nepieciešami mazi labojumi un kas provizoriski pieņemts publicēšanai.


Jaunumi par projektu

05.05.2020.

Izmantojot kodēto difrakcijas struktūru metodi, iegūtas stiklveida ķermeņa apduļķojumu fāzes kartes. Izmantojot pelēktoņa litogrāfiju, izveidota Kolmogorova fāzes karte. Izpētīta datu ieguves biežuma, bitu dziļuma un masku skaita ietekme uz stiklveida ķermeņa apduļķojumu un Kolmogorova fāzes kartes rekonstrukcijas kvalitāti. Novērots, ka algoritma PhaseLift rekonstruētās fāzes kļūda ievērojami samazinās, vairākkārtīgi palielinot datu ieguves biežumu, kā arī, samazinot bitu dziļumu, šādā veidā retinot matricas un samazinot trokšņa un fona ietekmi uz rekonstrukcijas rezultātiem. Analizēta arī kameras nelinearitātes ietekme uz mērījumu rezultātiem.

Sagatavotas tēzes konferencei “Visual and Physiological Optics” (VPO) 2020. gada augustā, tomēr konference atlikta līdz 2021. gadam koronavīrusa radītās krīzes dēļ. Žurnālam “Optica Applicata” iesniegts raksts “Influence of noise, background and misalignment on the phase retrieval of micron-sized phase objects” par dažādu apstākļu ietekmi uz stiklveida ķermeņa apduļķojumu fāzes rekonstrukciju. Tiek gatavots arī raksts par dažādu apstākļu ietekmi uz Kolmogorova fāzes kartes rekonstrukciju. Publicēšanai žurnālā “Zvaigžņotā Debess” pieņemts populārzinātniskais raksts, kā arī sagatavots populārzinātniskais raksts žurnālam “Alma Matter”. Ar ārzemju sadarbības partneri bijušas diskusijas par fāzu objektu rekonstrukcju lāzera spektru troksnī.


Jaunumi par projektu

07.02.2020.

Laika periodā no 01.10.2019. līdz 31.01.2020. MATLAB vidē simulāciju veidā sekmīgi parādīta kodēto difrakcijas struktūru metodes izmantojamība stiklveida ķermeņa apduļķojumu fāzes noteikšanai, kā arī pabeigta optiskā sistēma praktiskai stiklveida ķermeņa apduļķojumu fāzes mērīšanai. Izmantojot regulējamus optiskus elementus, optiskā sistēma pilnveidota, ievērojot Nikvista nosacījumus. Izmantojot izstrādāto acs modeli un mikrooptiskos elementus, kas aprakstīti tehniskajos dokumentos, iegūti difrakcijas ainu mērījumi, kuru analīze turpinās. Izstrādātais acs modelis uzlabots, izmantojot SU-8 un PDMS mikrostruktūras. Minētajā laika posmā arī analizētas koherenta, stiepta objekta difrakcijas ainas, pārbaudīti dažādi acs modeļa tīklenes apgaismojuma veidi, kā arī analizēta trokšņa un fona ietekme uz mērījumiem optiskā sistēmā.

Turpināta optiskās shēmas izstrāde atmosfēras turbulences mērīšanai dažādos spektra apgabalos, lai pierādītu kodēto difrakciju struktūru metodes izmantojamību astronomijā.

Norādītajā laika periodā žurnālam “Zvaigžņotā Debess” sagatavots un iesniegts populārzinātnisks raksts, kā arī nolasīta lekcija redzes zinātnes doktorantūras skolā par projekta aktualitātēm.

Par pēcdoktorantūras projekta tēmu sagatavotas un iesniegtas tēzes LU CFI gadskārtējai konferencei. Tiek gatavotas tēzes konferencei “Visual and Physiological Optics” (VPO) 2020. gada augustā.


Jaunumi par projektu

13.11.2019.

Žurnālā “Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems” (2018. gadā SNIP = 1,827) publicēts zinātniskais raksts “Optical phase retrieval using four rotated versions of a single binary amplitude modulating mask”. Tagad, kad kodēto difrakciju struktūru metodes izmantojamība īstā, fizikālā sistēmā pierādīta, to var sākt izmantot stiklveida ķermeņa apduļķojumu fāzes mērīšanai un kompensācijai īstā fizikālā sistēmā. Līdz šim minētās metodes izmantojamība apduļķojumu fāzes mērīšanai jau parādīta MATLAB simulācijās, un jau pilnībā pabeigta sākotnējā optiskā sistēma apduļķojumu fāzes mērīšanai.

Tiek gatavots referāts par adaptīvās un difraktīvās optikas tehnoloģijām un pēcdoktorantūras projekta aktivitātēm skolēnu izcilības skolas ietvaros. Redzes zinātnes doktorantūras skolā klausītāji iepazīstināti ar līdzšinējiem sasniegumiem projekta gaitā un tālākajiem plāniem.


Jaunumi par projektu

07.05.2019.

Analizēta Gerhberga-Sakstona (Gerchberg-Saxton) algoritma un PhaseLift algoritma izmantojamība fāzes atgūšanai atkarībā no fāzes modulatoru optiskajām un ģeometriskajām īpašībām. Plānota optiskā shēma viļņu frontes modulatora struktūras mērīšanai, izmantojot modulētu informāciju vairākos viļņu garumos. Par minētajiem pētījumiem 2019. gada martā žurnālam “Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems” iesniegts izlabots zinātniskais raksts.

Apmeklēts LU ĶFI, kur gūta pieredze polidimetilsiloksāna (PDMS) virsmas modificēšanā, lai uzlabotu tā hidrofilitāti un izveidotu PDMS-polikarbonāta kontaktus. Izstrādāts acs modelis statisku stiklveida ķermeņa apduļķojumu simulācijai. Statiskie apduļķojumi simulēti, izmantojot stiklā izkodinātas mikrostruktūras. Mikrostruktūras veidotas, izmantojot litogrāfijas metodes un kodinot stiklu buferizētā fluorūdeņražskābē. Šīs mikrostruktūras mērītas un analizētas, izmantojot baltās gaismas profilometru Zygo NewView 7100. Par minētajiem pētījumiem tiek gatavots zinātniskais raksts žurnālam “Optics Letters”.

Gatavotas un iesniegtas tēzes Amerikas Optikas Biedrības (OSA) kongresam “Imaging and Applied Optics”. Tēzes aprīlī tika apstiprinātas, un kongresā tiks prezentētas stenda referāta veidā. Stenda referāti prezentēti arī LU CFI ikgadējā konferencē un konferencē VISPEP Viļņā. Tiek veidota populārzinātniska lekcija par pēcdoktorantūras projekta tēmu Rīgas 94. vidusskolas skolēniem akcijas “Atpakaļ uz skolu / Atpakaļ uz universitāti 2019” ietvaros. Apkopots arī projektam nepieciešamo optisko/optomehānisko/ķīmisko materiālu saraksts.


Jaunumi par projektu

05.10.2018.

Iesniegtas tēzes “Optical lithography for studying vitreous floaters” starptautiskajam redzes fizioloģijas, apkārtējās vides un uztveres simpozijam “VISPEP 2018”. Semināra “Beta” ietvaros skolniekiem nolasīts referāts “Optiskā litogrāfija attēlu filtrēšanai” par mikrostruktūru veidošanu un attēlu filtrēšanu. Projektā izmantojamā fāzes mērīšanas metode apspriesta izstādē “Vide un Enerģija 2018”, Ķīpsalā.

Pētīta Gerhberga-Sakstona metodes izmantojamība fāzes mērīšanai, izmantojot dažādi defokusētu difrakcijas ainu mērījumus. Optimizēti vara (II) oksīda CuO plāno kārtiņu parametri atstarošanas koeficienta samazināšanai un absorbcijas koeficienta palielināšanai. Pētītas gaismas polarizācijas metožu izmantošanas iespējas atstarojumu samazināšanai optiskajā sistēmā. Sagatavots tehniskais dokuments par viļņu frontes modulatoru izstrādi, kā arī prezentēts stenda referāts “Wavefront Recovery From Intensity Measurements Using a Single Amplitude Modulating Mask” starptautiskā konferencē “Functional Materials and Nanotechnologies 2018”.


Jaunumi par projektu

15.06.2018.

Turpināti kodēto difrakcijas struktūru metodes un aberometrijas pētījumi, kā arī izgatavotas statiskas dažāda izmēra un formas struktūras, kas tiks apduļķojumus simulējošo daļiņu fāzes mērīšanai acs modelī. Ir izpētīta Zernikes polinomu izmantojamība optiskā trokšņa filtrēšanai aprēķinātajā viļņu frontē. Aberāciju analīzes rezultāti prezentēti LU CFI 34. zinātniskajā konferencē 21.02.2018. un zinātniskajā seminārā 29.03.2018. Iesniegts raksts SPIE konferences “Optical Systems Design” (Frankfurte, Vācija laika posmā no 14.05.2018.-17.05.2018.) rakstu krājumam. Raksts publicēts 2018. gada 28. maijā.

Varis Karitans; Edgars Nitiss; Andrejs Tokmakovs; Kaspars Pudzs. “Optical phase retrieval using four rotated versions of a single binary mask – simulation results”. Proc. SPIE 10694. DOI: 10.1117/12.2311861

Apduļķojumu detektēšanas pētījumu rezultāti prezentēti arī konferencē “Developments in Optics and Communications” (ielūgtā lektora prezentācija: Simulation of Vitreous Floaters using an Eye Model with Microfluidics System).


Jaunumi par projektu

15.03.2018.

Projekta sākuma posmā kodēto difrakcijas struktūru metode pielāgota fotorezistīvā slānī izgatavotu mikrooptikas elementu struktūras mērīšanai. Ir parādīta laba atbilstība starp kodēto difrakcijas struktūru metodi un bezkontakta profilometrijas metodi. Kodēto difrakcijas struktūru metode tiek īstenota, izmantojot fotolitogrāfijas metodes, turpretim bezkontakta profilometrijas metodē izmantots MATLAB rīks LightPipes, kas sniedz iespēju simulēt viļņu frontes izplatīšanos brīvā telpā. Ļoti drīz kādam no Amerikas Optikas Biedrības (OSA) žurnāliem tiks iesniegts raksts par abu minēto metožu salīdzināšanu aberāciju mērīšanas nolūkos.

Ir arī izpētīta dažādu plastmasu (PET, PVC u.c.) izmantojamība mikrofluīdikas kontaktu veidošanai. Ir noteikts kontaktu stiprums starp dažādām plastmasām un polidimetilsiloksānu (PDMS). Novērots, ka labu kontaktu iespējams iegūt, izmantojot nemodificēto polikarbonātu, uz tā virsmas izveidojot poliuretāna saites un to ievietojot ozonatorā, lai radītu -OH grupas. Lai novērstu aberācijas mikrofluīdikas sistēmā, ir arī uzlabots acs modelis, kurā minētā mikrofluīdikas sistēma iebūvēta.

Izmantojot 4 CMOS kameras, tiek arī veidota optiskā sistēma vienlaicīgai 4 kodēto difrakcijas struktūru mērīšanai tā, lai saīsinātu mērījumu laiku. Līdz šim brīdim ir arī optimizēts MATLAB kods, kas aprēķina objekta struktūru, izmantojot intensitātes mērījumus. Pēc optimizācijas skaitļošanas laiks ir ļoti ievērojami sarucis.

Pētījuma rezultāti prezentēti ikgadējā vietēja mēroga konferencē (LU CFI 34. zinātniskā konference), kā arī ir iesniegtas tēzes starptautiskai konferencei “Optical Systems Design” 2018. g. maijā Frankfurtē, Vācijā. Tēzes ir apstiprinātas, un par pētījuma rezultātiem šajā konferencē tiks ziņots mutiski.