Optiska ingenjörer från ITMO University i Sankt Petersburg utvecklade en uttrycklig metod för att uppskatta fördelningen av partiklar i optiskt transparenta medier baserad på korrelationsanalys av hologram. Som en stor del av studien, de skapade en algoritm som kan bearbeta bild på några sekunder. Den nya metoden kan tillämpas på tekniska anordningar för övervakning av metallspån i motorolja, studera en plankton i vatten, eller spåra virus i levande celler. Verket publicerades i Vetenskapliga rapporter .

Vanligtvis, holografi förknippas med tredimensionella bilder av museiföremål, souvenirer, märkning av produkter och skyddsskyltar. Men det används också inom industrin för att studera ytjämnhet och deformationer i produkter.

I den nya studien, forskare från ITMO-universitetet Tatiana Vovk och Nikolay Petrov utvecklade en metod för uttrycklig analys av fördelningen av mikroskopiska partiklar i transparenta medier. Tillvägagångssättet är baserat på Gabor-holografi, den enklaste och historiskt sett den första typen av holografi.

De experimentella resultaten bearbetade av datorsimuleringsprogram visade att metoden snabbt analyserar koncentrationen, medeldiameter och transparenshastighet för partiklar i ett provmedium.

Tatiana Vovk, forskare vid Institutionen för fotonik och optisk informationsteknologi vid ITMO University kommenterar:"Det finns många sätt att visualisera partiklar i suspension eller aerosol, samt metoder för att bearbeta dessa bilder. Men de tar ganska lång tid, och vissa klarar inte av att analysera media med höga koncentrationer av partiklar. Därför, vårt mål var att göra en expressmetod som kunde undersöka prover med vilken mängd partiklar som helst i realtid och som kunde vara redo för industriell implementering."

Från och med nu, forskarna visade metodens grundläggande funktionalitet, men de tror att det kommer att vara användbart inom många grenar av vetenskap och teknik. Baserat på studien, ingenjörer kan bygga analysenheter för realtidsövervakning av partikelflöden och, till exempel, använda dem för att bestämma antalet partiklar i maskinoljan. "Friktionen i mekaniska delar orsakar utsläpp av metallspån i fettet. De cirkulerar med oljan och sliter ut mekanismen. Enheten kan hjälpa till att utvärdera denna slitagenivå genom att undersöka föroreningen av fettet, ", tillägger Tatiana Vovk.

Biologiska tillämpningar av denna teknik är intressanta, också. Enligt forskare, deras metod tillåter dem att studera renheten hos sjöar och floder genom bestämning av planktontransparensen i vattenprover. Denna parameter, i tur och ordning, indikerar reservoarens ekologiska tillstånd, eftersom mikroorganismernas optiska egenskaper i hög grad beror på livsmiljön.

Forskarna överväger möjligheten att anpassa denna teknik för att spåra viruspartiklarna i levande celler. "När man utforskar mekanismer för virustransport, forskare tillämpar fluorescerande mikroskopi. En sådan analys kräver bearbetning av stora mängder data. Vår metod kan potentiellt hjälpa till att snabbt bearbeta dessa hundratals och tusentals bilder tagna från ett mikroskop. Men vi behöver hjälp av några biomedicinska experter för att lösa uppkommande problem och noggrant förstå hur man kombinerar fluorescensmikroskopin med digital holografi på det mest effektiva sättet, " säger Nikolay Petrov, chef för Digital and Display Holography Laboratory vid ITMO University.

För att få fram partiklarnas parametrar, forskarna exponerar provet med den kollimerade laserstrålen och får det digitala Gabor-hologrammet. Sedan extraherar de två platta bilder från hologrammet. Fokuseringen på dessa bilder utförs med beräkningsmetoder, en matematisk simulering. Den snabba bildbehandlingen sker i kraft av korrelationsfunktionen. Forskarna jämför bilderna och får på så sätt den information som behövs om hela fördelningen av partiklar.

Korrelationsanalys används i stor utsträckning inte bara inom bildbehandling, men också inom statistisk fysik och andra discipliner som studerar slumpmässiga processer. Till exempel, den avslöjar korrelationen mellan de observerade värdena och de typer av partiklar som frigörs från kollisioner inuti Large Hadron Collider.