Optische ingenieurs van de ITMO-universiteit in Sint-Petersburg ontwikkelden een uitdrukkelijke methode voor het schatten van de verdeling van deeltjes in optisch transparante media op basis van correlatieanalyse van hologrammen. Als een groot deel van de studie, ze creëerden een algoritme dat in staat is om binnen enkele seconden beeld te verwerken. De nieuwe methode kan worden toegepast op technische apparaten voor het bewaken van metaalspaanders in motorolie, een plankton in water bestuderen, of het volgen van virussen in levende cellen. Het werk is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

Typisch, holografie wordt geassocieerd met driedimensionale afbeeldingen van museumrelikwieën, souvenirs, markering van producten en beschermende tekens. Maar het wordt ook in de industrie gebruikt om de ruwheid van oppervlakken en vervormingen in producten te bestuderen.

In de nieuwe studie wetenschappers van de ITMO-universiteit Tatiana Vovk en Nikolay Petrov ontwikkelden een methode voor een uitdrukkelijke analyse van de verdeling van microscopisch kleine deeltjes in transparante media. De aanpak is gebaseerd op Gabor-holografie, de eenvoudigste en historisch gezien het eerste type holografie.

De experimentele resultaten verwerkt door computersimulatiesoftware toonden aan dat de methode snel de concentratie analyseert, gemiddelde diameter en transparantiesnelheid van deeltjes in een monstermedium.

Tatjana Vovk, onderzoeker bij het Department of Photonics and Optical Information Technologies van ITMO University merkt op:"Er zijn veel manieren om deeltjes in suspensie of aerosol te visualiseren, evenals methoden om deze afbeeldingen te verwerken. Maar ze duren vrij lang, en sommigen kunnen niet omgaan met het analyseren van media met hoge concentraties deeltjes. Daarom, ons doel was om een ​​uitdrukkelijke methode te maken die monsters met elke hoeveelheid deeltjes in realtime kon onderzoeken en klaar zou kunnen zijn voor industriële implementatie".

Vanaf nu, de wetenschappers toonden de fundamentele bruikbaarheid van de methode, maar ze geloven dat het nuttig zal zijn in vele takken van wetenschap en techniek. Op basis van de studie, ingenieurs kunnen analyseapparatuur bouwen voor realtime monitoring van de deeltjesstromen en, bijvoorbeeld, gebruik ze om het aantal deeltjes in de machineolie te bepalen. "De wrijving in mechanische onderdelen zorgt ervoor dat metaalspaanders in het vet vrijkomen. Ze circuleren met de olie en verslijten het mechanisme. Het apparaat zou kunnen helpen om dit slijtageniveau te evalueren door de vervuiling van het vet te onderzoeken, ", voegt Tatiana Vovk toe.

Biologische toepassingen van deze technologie zijn interessant, ook. Volgens wetenschappers, hun methode stelt hen in staat om de zuiverheid van meren en rivieren te bestuderen door bepaling van de planktontransparantie in watermonsters. Deze parameter, beurtelings, geeft de ecologische toestand van het reservoir aan, omdat de optische eigenschappen van micro-organismen sterk afhankelijk zijn van de habitat.

De onderzoekers overwegen de mogelijkheid om deze technologie aan te passen voor het volgen van de virusdeeltjes in levende cellen. "Bij het onderzoeken van mechanismen van virustransport, wetenschappers passen fluorescentiemicroscopie toe. Een dergelijke analyse vereist de verwerking van grote hoeveelheden gegevens. Onze methode kan mogelijk helpen om deze honderden en duizenden afbeeldingen die met een microscoop zijn gemaakt snel te verwerken. Maar we hebben de hulp nodig van enkele biomedicine-experts om zich voordoende problemen op te lossen en om zorgvuldig te begrijpen hoe de fluorescentiemicroscopie op de meest effectieve manier kan worden gecombineerd met digitale holografie, " zegt Nikolay Petrov, hoofd van het Digital and Display Holography Laboratory aan de ITMO University.

Om de parameters van de deeltjes te verkrijgen, de onderzoekers leggen het monster bloot met de gecollimeerde laserstraal en krijgen het digitale Gabor-hologram. Vervolgens halen ze twee platte afbeeldingen uit het hologram. De focus op deze beelden wordt uitgevoerd door computationele methoden, een wiskundige simulatie. De snelle beeldverwerking vindt plaats dankzij de correlatiefunctie. De onderzoekers vergelijken de beelden en krijgen zo de benodigde informatie over de gehele verdeling van deeltjes.

Correlatieanalyse wordt veel toegepast, niet alleen bij beeldverwerking, maar ook in statistische fysica en andere disciplines die willekeurige processen bestuderen. Bijvoorbeeld, het onthult de correlatie tussen de waargenomen waarden en de soorten deeltjes die vrijkomen bij botsingen in de Large Hadron Collider.