Transcript Document

Tomografia Klasyczna
B
Algorytm rekonstrukcji
f(x,y)
t

P(,t)
Pojedynczy rzut akumulacyjny
Rekonstrukcja metodą FFT

t
Sinogram
Rekonstrukcja metodą projekcji
wstecznej z sinogramu bez filtracji
Algorytm rekonstrukcji m. projekcji wstecznej z
filtracją
Seria rzutów
akumulacyjnych
Obiekt
Filtr
Sinogram
Sinogram
przefiltrowany
Typowe filtry
Rekonstrukcja
Wynik
Rekonstrukcja m. projekcji wstecznej z
filtracją
Konfiguracje tomografów medycznych
i przemysłowych
Typowe błędy
Rekonstrukcja z małej liczby rzutów akumulacyjnych
8
16
32
Typowe błędy
Obecność szumów w rzutach
akumulacyjnych
Niecentralność środka obrotu
Obecność tła w rzutach akumulacyjnych
2% szumów
Bicie: 2.5%
5% względnego tła
Rekonstrukcja algebraiczna i iteracyjna
Interferometria Tomograficzna
Podział optycznych elementów fazowych
Rozważane optyczne elementy fazowe*
Izotropowe (jeden współczynnik
załamania w punkcie n(x,y,z))
• preformy i światłowody,
• mikrosoczewki,
• falowody.
Anizotropowe jednoosiowe (dwa
współczynniki załamania w punkcie;
no(x,y,z) ne(x,y,z) )
• światłowody utrzymujące stan
polaryzacji,
• kryształy optyczne jednoosiowe( w
tym ciekłe),
• elementy poddane naprężeniom.
Metody pomiarowe:
Metody pomiarowe:
• mikrointerferometria,
• elastooptyka zintegrowana,
• metoda bliskiego pola,
• metoda światła rozproszonego,
• optyczna tomografia dyfrakcyjna,
• tomografia elastooptyczna.
•tomografia mikrointerferencyjna.
* elementy o wymiarach mili- i mikrometrowych
Zasada pomiaru rozkładu współczynnika załamania w
tomografii mikrointerferencyjnej*
Akwizycja serii
interferogramów obiektu
Obliczanie
zintegrowanego
rozkładu fazy
z
α
α =1°….180 °
w
P(w,z,α)
α
Rekonstrukcja rozkładu
fazy (algorytm projekcji
wstecznej)
Skalowanie do wartości
współczynnika
załamania

(x,y,z) =   S(,,z)  exp(j 2w) d d
0 -
gdzie: S(,,z) =  P(,w,z)exp(-j 2w) dw,
 - częstość przestrzenna rozkładu P (,w,z0).
n ( x, y , z ) 
 ( x, y , z )
 nl ,
2d
λ-dlugość fali, nl - współczynnik załamania cieczy
immersyjnej, d-wymiar obiektu odpowiadający
pikselowi,
*Witold Gorski: Trójwymiarowa rekonstrukcja niejednorodności współczynnika załamania
w optycznych elementach fazowych, Rozprawa doktorska, PW 2002
Wiązka przedmiotowa
Interferometria tomograficzna - algorytm
Automatyczna
Analiza
Interferogra mów
Interferogram
Mapa fazowa
Wiązka odniesienia
Wyznaczanie zintegrowanych rozkładów fazowych:
• wysoka dokładność wyznaczania mapy fazowej w porównaniu z metodami dyfrakcyjnymi
• odtworzenie rozkładów fazowych o nieznanej geometrii
Rekonstrukcja rozkładu współczynnika załamania
Rekonstrukcja rozkładu fazowego:

(x,y,z0) =   S(,,z0)  exp(j 2w) d d
0 -
gdzie: S(,,z0) =  P(,w,z0)exp(-j 2w) dw,
 - częstość przestrzenna zintegrowanego rozkładu P (,w,z0).
Skalowanie do wartości współczynnika załamania:
(x,y,z0)
n(x,y,z0) = —————
2d
gdzie:
(x,y,z0) – zrekonstruowany rozkład fazowy
 – długość fali,
d – geometryczny wymiar obiektu.
Trójwymiarowa rekonstrukcja
z
n(x,y, z0+k)
n(x,y,z0+2)
n(x,y,z0+1)
x
n(x,y,z0)
y
n(x,y,z) = n0 + n(x,y,z)
Microinterferometric tomography
-exemplary measurement sequence
Acquisition of series of
phase projection:
Phase distribution in selected x-x line
in function of angular position:
phase
x
x
x
X
y
y
y
Completing of
sinogram for
selected crosssection :
angular position
Microinterferometric tomography
-exemplary measurement sequence
Filtered
backprojection
algorithm
Sinogram of single layer
Assembly of single layers
allows for 3D
reconstruction
of refractive index in
object
Reconstruction of single layer
Algorytm tomografii fazowej
Pomiar obiektu milimetrowego
Niejednorodność:
n
 10 7
n
Tomografia mikrointerferencyjnaukład eksperymentalny
POZYCJONER
Tomografia mikrointerferencyjnaukład eksperymentalny
Experimental results
FUSED OPTICAL FIBER SPLICE (SINGLE MODE-MULTIMODE)
Interferogram
Distribution n(x,y,z) - rendering
Experimental results
Cross-sections sequence
Tomographic microinterferometry
n(x,y) -C1
Theory
Experiment
n(x,y) - C2
Multimodal Gradient Profile Fiber Inspection
Considerable
deviation of
refractive index in
the middle area
ideal profile
measured
profile
Single mode fiber inspection
Fiber parameters:
core
-fiber diameter 120µm
[pixels]
-core diameter 8µm
-core refractive index 1,47
-cladding refractive index
1.46
1 pixel=0,33µm
core
cladding
Only central core area
was reconstructed
propoperly
[pixels]
core
cladding
-refractive index
determination error is
considerable in core area,
source of this error is
difraction phenomenon on
edge of core and cladding;
step of refractive index is
equal 0,01
Metoda uśredniania fazy przy badaniu światłowodów
jednomodowych
Dwuwymiarowy rozkład fazy w projekcji
faza
Przekrój przez fazę y-y
y
y-y
Profil fazy po uśrednieniu
wzdłuż współrzędnej y
faza
x
x
Uśrednienie wartości
fazy w projekcji
powoduje znaczną
redukcję szumów przy
jednoczesnym
zachowaniu
rzeczywistego profilu
fazy
x
Numerical correction of radial run-out
w
n(0,w,z0)
n2
n1
edges
Sinogram of
reference layer
-no
inhomogeneities
Ideal
sequence
CALIBRATION
ARRAY
Edges
localization
Correction of
all sinograms
Numerical correction of radial run-out
Exemplary results
Sinogram: initial
Edge localization matrix
After correction
•No lack of information.
•Reduction of radial movement influence to single micrometers.
Zastosowania metody TI do pomiaru rozkładu
współczynnika załamania n w różnych typach obiektów
Profil n przed
napromieniowaniem
Współczynnik załamania n
Współczynnik załamania n
• Badanie wpływu promieniowania gamma na n w światłowodach jednomodowych
Piksele (1 piksel=0,12 μm)
Profil n po napromieniowaniu
dawka 3.5 MGy
Piksele (1 piksel=0,12 μm)
• Struktury wykonane w technologii DLP
Wizualizacja kolejnych warstw
Zrekonstruowana warstwa
Współczynnik załamania
Seria projekcji fazowych
Piksele (1 piksel=1 μm)
Reconstrukcja struktury holey-fiber
Obraz światłowodu holey fiber
uzyskany mikroskopem
elektronowym
[Uniwersytet w Bath]
Wynik pomiaru
tomograficznego
Numeryczna symulacja rekonstrukcji tomograficznej
Cel symulacji:
Określenie ograniczeń teoretycznych tomografii
mikrointerferencyjnej związanych z wymiarem najmniejszych
szczegółów obiektu.
Rozwiązanie problemu:
Symulacja propagacji światła przy użyciu metody finite
difference time domain, a następnie wykorzystanie
uzyskanych rezultatów do tomograficznej rekonstrukcji
obiektu i porównanie uzyskanego rozkładu współczynnika
załamania z rozkładem wejściowym
Metoda Finite Difference Time Domain
Zalety metody:
• Najbardziej ogólne podejście oparte na teorii
elektromagnetyzmu
• Pełna analiza wektorowa pola
• Możliwość analizy propagacji w dowolnych
ośrodkach ( także w ośrodkach anizotropowych )
Wady metody:
• wysoki koszt numeryczny symulacji
• duże wymagania sprzętowe
Metoda Finite Difference Time Domain
Równania Maxwella dla ośrodków
izotropowych w postaci wektorowej
Można je zastąpić równaniami
skalarnymi:
=
=
=
=
=
=
=
=
Metoda Finite Difference Time Domain
Wprowadzając dyskretny układ współrzędnych:
Możemy dowolną funkcję czasu i przestrzeni zapisać jako:
,
gdzie:Δt-jednostkowy przyrost czasu,δ=Δx=Δy=Δz-przestrzenne stałe siatki
symulacji.
Przestrzenne i czasowe pochodne funkcji F można zapisać następująco:
Metoda Finite Difference Time Domain
Równania pochodnych są podstawiane do skalarnych równań Maxwella:
Podstawowy element
symulacji;komórka Yee
Pakiet oprogramowania OptiFDTD
Zintegrowany pakiet oprogramowania OptiFdtd skada się z trzech elementów:
1)OptiFdtd Designer
•Umożliwia projektowanie układów fotonicznych 2- i 3-wymiarowych, przy użyciu interfejsu
graficznego
•Możliwość zastosowania języka skryptowego podczas projektowania bardziej złożonych struktur
2)OptiFdtd Simulator
•Możliwość symulacji materiałów stratnych jak i idealnych przewodników, izo- i anizotropowych
•Symulacja dla polaryzacji liniowej oraz kołowej
•Możliwość śledzenia zmian rozkładu pola w czasie(dla określonego punktu lub linii)
3)OptiFdtd Analyser
•Pełna wizualizacja otrzymanych rezultatów (zespolony rozkład pola E-M, wektor Poyntinga)
•Możliwość eksportu rezultatów do plików tekstowych
Schemat symulacji metodą FDTD
Projekt struktury
optycznej
Propagacja fali
płaskiej przez obiekt
Rezultatem symulacji jest
rozkład pola elektrycznego
w postaci zespolonej
Schemat procesu rekonstrukcji
Obliczenie fazy mod2π
faza=arctan(Im/Re)
Uciąglanie fazyOdbywa się w kierunku
propagacji światła.
Rekonstrukcja
tomograficzna przy
użyciu transformaty
Radona
Skalowanie do
współczynnika
załamania
n(x,y)=(Φ(x,y)*λ)/
(2π*dx))
Rezultaty-światłowód jednomodowy
Refra
ctive
index
symulacja
pomiar rzeczywisty
core
1 pixel=0.03µm
[pixels]
cladding
1 pixel=0.3µm
[pixels]
Rezultaty – rekonstrukcja włókien z
małymi średnicami rdzeni
Średnica płaszcza=16µm
Rezultat
rekonstrukcji
Średnica rdzenia-zmienna
Współczynnik załamania płaszcza=1.46
Współczynnik załamania rdzenia=1.47
Profil idealny
Współczynnik załamania cieczy
imersyjnej=1.47
Średnica rdzenia =6µm
Średnica rdzenia=7µm
Średnica rdzenia =5µm
Średnica rdzenia =4µm
Rezultaty – rekonstrukcja włókien z
małymi średnicami rdzeni
Średnica rdzenia =3µm
Średnica rdzenia =2µm
Średnica płaszcza=16µm
Średnica rdzenia-zmienna
Współczynnik załamania płaszcza=1.46
Współczynnik załamania rdzenia=1.47
Współczynnik załamania cieczy
imersyjnej=1.47
Średnica rdzenia =1µm
Rezultaty – rekonstrukcja kanałów Średnica kanału-zmienna d=0,1÷0,9µm
Współczynnik załamania szkła n=1,46
w szkle, wypełnionych cieczą
Współczynnik załamania cieczy imersyjnej=1.47
imersyjną
0,8µm
0,9µm
0,6µm
0,7µm
0,5µm
Rezultaty – rekonstrukcja kanałów Średnica kanału-zmienna d=0,1÷0,9µm
Współczynnik załamania szkła n=1,46
w szkle, wypełnionych cieczą
Współczynnik załamania cieczy imersyjnej=1.47
imersyjną
0,4µm
0,2µm
0,3µm
0,1µm
Rezultaty rekonstrukcji uproszczonej
struktury typu holey fiber
Struktura wejściowa:
Parametry struktury:
•Szkło niedomieszkowane n=1,46
•średnica D=10µm
•Średnica kanałów d=0,5µm
•Kanały są rozmieszczone równomiernie w
odległości 5µm od środka struktury
Rezultat rekonstrukcji:
Zrekonstruowany profil
Tomografia elastooptyczna
Zasada pomiaru rozkładu współczynników załamania w
tomografii elastooptycznej
Akwizycja serii zestawów obrazów
elastooptycznych (izokliny i izochromy)
100
100
200
200
300
300
400
400
500
200
300
400
500
500
100
100
600
100
600
100
200
300
400
500
600
700
800
900
600
1000
100
200
300
400
500
600
700
900
1000
100
200
300
400
300
400
200
500
600
700
800
900
200
300
400
200
600
700
800
900
1000
100
500
300
400
500
600
700
800
900
200
300
400
500
600
700
800
300
400
500
600
700
800
900
1000
100
200
300
400
zwyczajnego i nadzwyczajnego
1000
500
100
600
700
100
100
700
800
900
100
200
300
400
600
400
700
800
900
1000
700
800
900
1000
300
400
600
700
800
900
1000
100
200
500
600
700
800
900
1000
300
400
500
600
700
800
900
1000
500
600
300
600
200
500
500
200
500
600
1000
500
100
400
500
400
600
600
300
400
300
500
400
600
500
200
1000
300
200
400
300
500
900
100
300
200
400
800
200
600
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
100
200
300
400
500
600
w
α
Algorytm projekcji wstecznej-rekonstrukcja
rozkładu opóźnienia fazowego
Skalowanie do wartości różnic
współczynników załamania
900
100
600
200
300
400
α =1°….180 °
1000
500
100
200
300
900
600
100
100
600
200
800
500
1000
500
1000
200
100
700
400
600
200
600
400
500
100
900
500
300
400
600
800
400
200
300
100
600
700
300
400
300
600
200
200
400
500
1000
100
300
400
900
100
500
200
300
800
600
100
300
200
500
700
500
1000
100
400
600
100
600
200
500
400
500
100
100
Obliczenie zintegrowanego rozkładu
opóźnienia fazowego
400
300
500
300
300
300
400
200
200
200
600
Δ(w,z,α)
800
200
100
100
z
100
n e  no 

2dx
Circular polariscope and its mathematical representation
Characteristic object
parameters:
Δ - phase retardation
Φ – asimuth
Mathematical representation of system,
according to Jones calculus:
U  1 01 i 
    

V  2 1i 1
 i sin  sin 2( ) 
cos   i sin  cos 2( )

cos   i sin  cos 2( )
  i sin  sin 2( )
1  i cos 2  i sin 2   cos 


  i sin 2 1  i cos 2   sin 
sin   it
ke ,
cos  
where: U - component of light vector perpendicular to polariser axis
V - component of light vector parallel to polariser axis
Integrated retardation calculation by phase shift method
General output intensity equation:
i  im  iv sin 2(  ) cos2  iv sin 2  ) cos2(  sin 2
Ψ
β
0
π/4
Output intensity equations
i1  ia  ib cos
•Azimuth
 i5  i3 
1

  arctan 
2
 i4  i6 
0
3π/4
i2  ia  ib cos
0
0
i3  ia  ib sin  sin 
• Phase retardation
π/4
π/4
i4  ia  ib cos sin 
π/2
π/2
(i  i ) sin 2  (i4  i6 ) cos2
1
   arctan 5 3
2
i1  i2
i5  ia  ib sin  sin 
3π/4
3π/4
i6  ia  ib cos sin 
Simulation of measurement process
Distribution of birefringence in object:
Polarized wave propagation (with FDTD algorithm) for various arrangements of
polarizing elements
1
1
I(1)
0.5
um
0
1
-20
0
0.5
0.5
0
um 0
-20
20
1
I(4)
0
um
-20
0
20
I(3)
20
um
-20
0
20
1 I(6)
I(5)
0.5
0.5
0.5
0
1
I(2)
um
0
-20
0
20
um
0
-20
Intensity distributions for six discrete phase steps
0
20
Symulacja; obliczanie rozkładu opóźnienia - 2
Characteristic parameters
Scaling of retardation Δ
computation
Δ – phase retardation
to birefringence Δn 2
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
Δn
Simulation FDTD
Theoretical projection
1
0
um
-2
θ – azimuth
0
-2
2
Tomographic
reconstruction
0.2
0
-0.2
um
-2
0
2
Δn
-3
10 10
Distribution from FDTD simulation
Theoretical distribution
5
0
-20
0
um
20
m
0
2
• Results of simulation – comparison of assumed profiles
and profiles achieved by computer simulations
Δ=0.01
Δ=0.02
Δ=0.04
Δ=0.05
Δ=0.07
Δ=0.03
Δ=0.06
Theoretical profiles
Profiles derrived from
simulations
• Dependence of relative error of birefringence
reconstruction on birefringence
25
Rerr
20
15
10
5
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
B
Rerr=100%((Bsim-Btheor)/)Btheor),
where Bsim is mean value of birefringence of reconstructed structure in area D,
Btheor is mean value of theoretical birefringence in area D, assumed in simulation.
• method gives relatively accurate results up to birefringence value of 0.03,
above this value we observe abrupt increasing of error from 1.5% to 18%
• due to cylindrical shape of structure and considerable refractive index difference between
extraordinary index in domain D and outer area (Δn=0.04) sample works as cylindrical
lens and for high B values disturbs measurement.
Experimental setup
LED- Led source
P - polaryser
λ/4 - quarter-wave plate,
O - measured object,
OB - microscopic objective,
A - analyzer,
L - imaging lens
Experimental setup
Measured objects
Capillary
127μm
ne
no
• Analysed objects are fibers with channels
filled with liquid crystal
• Due to viscosity forces liquid crystals are
oriented paralelly to axis of capillary
Experimental results-intensities for consequent phase
steps
Ψ=0 β=π/4
Ψ=0 β=3π/4
i1  ia  ib cos
i2  ia  ib cos
Ψ=0 β=0
Ψ=π/4 β=π/4
i3  ia  ib sin  sin 
i4  ia  ib cos sin 
Ψ=π/2 β=π/2
i5  ia  ib sin  sin 
Ψ=3π/4 β=3π/4
i6  ia  ib cos sin 
Experimental results
3
2.5
2
A
A
1.5
1
0.5
0
-0.5
Modulo π phase retardation
Unwrapped phase for A-A
section
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Modulo π phase retardation
for A-A section
Sinogram of object
Experimental results-birefringence profile
0.03
100
0.025
A-A
300
A
A
400
500
600
birefringence
200
0.02
0.015
0.01
0.005
0
700
-0.005
800
100
200
300
400
500
600
700
[pixels] 1pixel=0.25um
0
100
200
300
400
500
600
800
[pixels] 1pixel=0.25um
700
800