Digitale Holographie in Mikro-Opto-Fluidsystemen

Sabitov, Nail

The In-line-digital Holography (In-line-DH) is a robust and simple method for the determination of the 3-D location or structure of micro-objects. It is commonly applied in velocimetry, determination of material of microparticles, investigation of unicellulars and estimating the holding force of optical tweezers.This dissertation focuses on aspects like investigation of diaphragm function in the imaging system and the influence of the camera on the quality of recordings. Another aspect of the research work refers to the determination of the accuracy of the holographic method for particle detection. The goal of this study is to estimate the accuracy experimentally by comparing of methods like the detection of microparticles by intensity maximum, by phase gradient and by second derivative of imaginary part of the numerically reconstructed complex signal.A further study addresses optimized numerical reconstruction methods. The most suitable diffraction approximation for the numerical reconstruction of the in-line-holograms and influence of the imaging system on the impulse-response-function are discussed. Special attention is paid to the reconstruction by the parameterized asymmetrical impulse-response-function. In the present dissertation a new configuration of optical-tweezers-optics is demonstrated, which represents an improvement of the concept presented in [S. Stoebenau, A. Oeder and S. Sinzinger. Optimized free-form optical trapping systems. Opt. Lett. 37(2), 274-276 (2012)]. The free-form optical part produces a highly focused donut-beam for optical manipulation while a central plane region is used for the holographic illumination. The development, simulation und fabrication as well as experiments for simultaneous optical trapping and in-line-holographic visualization are presented and discussed.The generalization of the Two-Step Phase Shifting Interferometry method concerning the possibility of implementation of arbitrary reference waves in the magnitude and phase is discussed in this dissertation. The successful reconstruction of complex object waves is proved by the simulation.

Die In-line-digitale Holographie (In-line-DH) ist ein robustes und einfaches Verfahren zur Ermittlung der dreidimensionalen Lage oder Struktur von Mikroobjekten. Als Anwendungsgebiete können z. B. die Volumengeschwindigkeitsmessung (Velocimetry), die Charakterisierung von Partikelmaterialien und Partikelgrößen in Zweiphasen-Mischungen, die Beobachtung von lebendigen Einzellern und die Untersuchung von Fangfähigkeiten optischer Pinzetten genannt werden.Diese Arbeit widmet sich besonders einigen speziellen Aspekten des Aufbaus, wie z.B. Blendendefinition für 3D-Objektvolumina und des Einflusses der Kamera auf die Bildqualität. Auch die Ermittlung der Genauigkeit des holographischen Verfahrens bei der Partikeldetektion ist ein Schwerpunkt dieser Dissertation. Die Partikeldetektion erfolgt an Merkmalen des rekonstruierten komplexen Feldes, wie Intensitätsminimum, Phasengradient und zweite Ableitung des Imaginärteils der komplexen Feldamplituden.Die Schwerpunkte der Diskussion über Rekonstruktionsalgorithmen sind das Auffinden der am besten geeigneten Beugungs-Näherung für die Rekonstruktion der Hologramme und die Untersuchung des Einflusses des Abbildungssystems auf die Impulsantwortfunktion. Besondere Aufmerksamkeit wird dem neuen numerischen Rekonstruktionsverfahren durch die Anwendung einer speziellen asymmetrischen parametrisierten Impulsantwortfunktion gewidmet. In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Konzept der Pinzettenoptik dargestellt, das eine logische Weiterentwicklung des in [S. Stoebenau S.; Oeder, A.; and Sinzinger, S.: Optimized free-form optical trapping systems. In: Opt. Lett. 37(2) (2012). S. 274-276] präsentierten Verfahrens ist. Die Freiform-Optik erzeugt eine optimierte Fokusverteilung und ermöglicht gleichzeitig die holographische Beleuchtung des Arbeitsvolumens. In der Arbeit werden die wichtigsten Aspekte der Entwicklung und Fertigung der Fangoptik diskutiert und die holographische Beobachtung experimentell untersucht.In der Diskussion über die Zwei-Schritt-phasenschiebende Interferometrie (Two-Step Phase Shifting Interferometry, PSI) wird eine Verallgemeinerung für den Fall variabler Amplituden der Referenzwellen dargestellt. Die erfolgreiche Rekonstruktion der komplexen Welle wird durch Simulationsrechnungen bestätigt.

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Sabitov, Nail: Digitale Holographie in Mikro-Opto-Fluidsystemen. 2015.

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