Volveld tijdsgeresolveerde digitale holografie: vierdimensionale beeldvorming van vibraties en vervormingen met nanometer resolutie

Daniël De Greef
 Grote stappen voorwaarts in de wetenschap gebeuren niet altijd door steeds dieper in te gaan op een steeds smaller wordend onderzoeksdomein - dit is wat we bedoelen met het begrip specialisatie. Vaak is het echter zeer nuttig door een stap terug te nemen en verschillende takken van de wetenschap met elkaar te combineren. Verschillende disciplines kunnen elkaar helpen en kunnen dezelfde problemen op een andere maar even juiste manier benaderen.Het werk in de Masterthesis van D.

Volveld tijdsgeresolveerde digitale holografie: vierdimensionale beeldvorming van vibraties en vervormingen met nanometer resolutie

 Grote stappen voorwaarts in de wetenschap gebeuren niet altijd door steeds dieper in te gaan op een steeds smaller wordend onderzoeksdomein - dit is wat we bedoelen met het begrip specialisatie. Vaak is het echter zeer nuttig door een stap terug te nemen en verschillende takken van de wetenschap met elkaar te combineren. Verschillende disciplines kunnen elkaar helpen en kunnen dezelfde problemen op een andere maar even juiste manier benaderen.

Het werk in de Masterthesis van D. De Greef in de onderzoeksgroep Biomedische Fysica (Bimef) aan de Universiteit Antwerpen is een direct voorbeeld hiervan. Als fysicastudent werkte hij een beeldvormingstechniek uit om zeer kleine vervormingen en vibraties van objecten te kunnen meten en in kaart te brengen. Uiteindelijk zou deze techniek gebruikt moeten worden voor onderzoek op het middenoor van verschillende diersoorten, in samenwerking met het departement Biologie. Een beter begrip van de omzetting van fysiek geluid naar neuronale signalen voor onze hersenen is van groot belang bij het ontwikkelen van betere oorprothesen, zoals gehoorapparaten. De techniek die werd ontwikkeld draagt de futuristische naam 'digitale holografie'. Ongetwijfeld denken heel wat mensen hierbij aan een of andere toekomstige feature op smartphones waarbij we onze correspondent in 3D geprojecteerd zien worden uit ons toestel. Dit is helaas een vervormd beeld van wat digitale holografie in werkelijkheid betekent.Maar laten we eerst beginnen bij klassieke holografie. Holografie is een optische opnametechniek die in staat is om volledig driedimensionale afbeeldingen van objecten vast te leggen. Dit gebeurt door het object te belichten met een laser en vervolgens het gereflecteerde licht te laten samenvallen met 'rechtstreeks' laserlicht, waarvan de eigenschappen en parameters perfect gekend zijn. Als we vervolgens dit samenvallende licht op een speciale fotoplaat opnemen, hebben we een hologram gemaakt dat alle driedimensionale informatie van het object bevat. Net zoals bij gewone fotografie, moet de fotoplaat worden ontwikkeld en na ontwikkeling kunnen we het object opnieuw tevoorschijn toveren door de fotoplaat te belichten, ook al is het voorwerp helemaal niet meer aanwezig. Als je naar de fotoplaat kijkt onder verschillende hoeken, zie je verschillende aanzichten van het object, net zoals bij een echt voorwerp. Klassieke holografie bestaat al sinds 1948, toen D. Gabor hem ontwikkelde in dienst van elektronenmicroscopie. Door de uitvinding van de laser in 1960 kon het ook worden toegepast met optisch licht. Naast hun esthetische waarde, bleek al snel dat hologrammen een krachtig instrument zijn voor het opmeten van kleine vervormingen en vibraties van voorwerpen. Met de ontwikkeling van digitale holografie verandert er in principe slechts één ding ten opzichte van klassieke holografie: de fotoplaat wordt vervangen door een CCD-camera zonder lens, die verbonden is met een computer. In plaats van de lichtinval te coderen in een chemische verandering van de fotoplaat, kan deze informatie nu opgeslagen worden in de computer. Daar wordt de reconstructie van het object nu gesimuleerd door het invallen van licht op de fotoplaat na te bootsen met berekeningen.Op deze maniere kunnen we nu een betere en meer veelzijdige analyse doen van subtiele vervormingen en vibraties van objecten. Dit is van cruciaal belang bij het bestuderen van biologische systemen zoals het oor. Op het programma staat nu om eerst testen te doen op verschillende soorten dieren, alvorens over te stappen op het menselijk oor. Uiteindelijk is het streefdoel een beter begrip van de werking van ons middenoor met als voornaamste toepassing het ontwikkelen van nieuwe en betere gehoorapparaten. Dit mooie doel is een stevige drijfveer voor alle betrokken onderzoekers om de komende maanden en jaren te blijven doorwerken aan dit multi-disciplinaire en gevarieerde project.

Bibliografie
  •  [1] Gabor T. A New Microscopic Principle. Nature, 161(4098), May 1948.[2] Lundqvist S., editor. Nobel Lectures, Physics 1971-1980, chapter D Gabor - for his invention and development of the holographic method. World Scientific Publishing Co., 1992.
  • [3] Ting-Chung Poon. Optical Scanning Holography with MATLAB, chapter 2: Wave Optics and Holography. Springer-Verlag New York, Inc. Secaucus, NJ, USA, 2007.
  • [4] Kreis T. M. Handbook of Holographic Interferometry: Optical and Digital Methods. John Wiley & Sons, 2005.
  • [5] Leith E. N. and Upatnieks J. Reconstructed Wavefronts and Commu-nication Theory. J. Opt. Soc. Am., 52(10), Oct 1962.
  • [6] Vest C. M. Holographic Interferometry. Medical Physics, 6(542), 1979.
  • [7] Powell R. L. and Stetson K. A. Interferometric vibration analysis by wavefront reconstruction. J. Opt. Soc. Am., 55(12), Dec 1965.
  • [8] Fuzessy Z. and Abramson N. Measurement of 3-D displacement: sand- wich holography and regulated path length interferometry. Applied Op-tics, 21:260–264, 1982.
  • [9] Yamaguchy I. and Zhang T. Phase-shifting Digital Holography. Optical Letters, 22(16), 1997.
  • [10] Kreis T. M. and Juptner W. P. O. Suppression of the dc term in digital holography. Opt. Eng., 36(2357), 1997.
  • [11] Liu G. Object reconstruction form noisy holograms. Opt. Eng., 79:402– 406, november 1990.
  • [12] Munoz J. et al. Two-dimensional phase unwrapping of subsampled phase-shifted interferograms. Journ. Modern Opt., 51(1):49–63, 2004.
  • [13] Goldstein R. M. et al. Satellite radar interferometry: Two-dimensional phase unwrapping. Radio Science, 23(4):712–720, Jul-Aug 1988.
  • [14] Ghiglia D.C. and Pritt M. D. Two-Dimensional Phase Unwrapping:Theory, Algorithms, and Software. Wiley-Blackwell, 1998.
  • [15] Buytaert J.A.N. New optical tomographic & topographic techniques forbiomedical applications. PhD thesis, University of Antwerp, 2010.
  • [16] Leendertz J.A. Interferometric displacement measuring on scatteringsurfaces utilizing speckle effect. J. Phys. E: Sci. Instrum., 3:214–218,1970.
  • [17] Creath K.Phase shifting speckle interferometry.Applied Optics,24:3053–3058, 1985.
  • [18] Soons J. and Dirckx J.J.J. Full field displacement and strain measure-ment of small complex bony structures with digital speckle pattern in-terferometry and shearography. In Albertazzi Goncalves A. Jr., editor, Speckle 2010: Optical Metrology, volume 7387, 2010.
  • [19] Hariharan P. et al. Stroboscopic holographic interferometry: measure-ments of vector components of a vibration. Applied Optics, 26:3899–3903, 1987.
  • [20] Aerts J. Optical Measurement of the Weak Non-linearity in the Eardrum Vibration Response to Auditory Stimuli. PhD thesis, University of Antwerp, 2010.
  • [21] Bowman R.I. Morphological differentiation and adaptation in the Gala-pagos finches. Univ. of California Publ. Zool, 58(7), 1961.
  • [22] Genbrugge A. Evolutionary morphology of the feeding apparatus in Darwins finches : a case study of adaptive evolution of complex mus-culoskeletal systems. PhD thesis, University of Antwerp, 2011.
  • [23] Kinsler L.E. et al. Fundamentals of Acoustics. John Wiley & Sons, 4 edition, 1999.

 

Universiteit of Hogeschool
Fysica
Publicatiejaar
2011
Kernwoorden
Share this on: