Obrazowanie nadrozdzielcze i obliczeniowe

Grupa badawcza

Zakład Optyki Informacyjnej

Lider grupy badawczej:

Obrazowanie nadrozdzielcze to termin obejmujący optyczne techniki pomiaru lub przesyłu informacji optycznej z rozdzielczością lepszą niż wynika z właściwości układu obrazującego, lub w pewnych przypadkach wyższą, niż wynika z ograniczenia dyfrakcyjnego. Jednym ze sposobów obrazowania nadrozdzielczego jest wykorzystanie ośrodka o wysokim współczynniku załamania. Idąc dalej, można w tym celu wykorzystać specjalnie zaprojektowany ośrodek nanostrukturalny na przykład metaliczno-dielektryczny metamateriał warstwowy. Jednym z przedmiotów zainteresowań grupy są takie właśnie struktury.

Obrazowanie obliczeniowe (ang. computational ghost imaging) obejmuje techniki obrazowania pośredniego, czyli takiego, w którym na wyjściu układu mierzymy inną wielkość fizyczną czy rodzaj danych, niż te które nas interesują. Sam zaś sygnał optyczny podlega modulacji w trakcie pomiaru. Pomiar ostatecznie wymaga rozwiązania problemu odwrotnego i następnie, zwykle kosztownej obliczeniowo, rekonstrukcji cyfrowej. Techniki rekonstrukcji oparte na teorii oszczędnego próbkowania (ang. compressive sensing) stanowią narzędzie do rozwiązania problemu odwrotnego także wtedy, gdy pomiar jest niekompletny, a problem odwrotny niejednoznacznie okreslony. W technikach tych wykorzystuje się nieznaną wewnętrzną strukturę danych i założenie o kompresowalności mierzonej informacji. Trwają bardzo intensywne prace nad wykorzystaniem obrazowania obliczeniowego i tzw. detektorów punktowych (ang. single pixel detector/camera) do obrazowania hiperspektralnego, polarymetrycznego, trójwymiarowego, obrazowania przez ośrodki rozpraszające, obrazowania w zakresach podczerwonym i terahercowym, czy obrazowania obiektów spoza bezpośredniego pola widzenia detektora.

Naszym aktualnym tematem zainteresowań związanym z projektem NCN-Opus "Nadrozdzielczość ukryta w polu dalekim i przekształcenia przestrzenno-widmowe" jest zastosowanie pomiaru pośredniego informacji o widmie obrazowym w polu dalekim do pomiaru informacji o geometrii nanostruktury, której bezpośrednie zobrazowanie układem mikroskopowym nie jest możliwe ze względu na obowiązywanie ograniczenia dyfrakcyjnego. Zeby to było możliwe, konieczne jest dyspersyjne wymieszanie informacji o widmie przestrzennym nanostruktury, tak żeby możliwa była jej propagacja w pole dalekie.

Przykładami niedawnych osiągnięć grupy są publikacje:

Pastuszczak A., Stojek R., Wróbel P. and Kotynski R., 2021: Differential real-time single-pixel imaging with Fourier domain regularization - applications to VIS-IR imaging and polarization imaging, Optics Express, vol. 29(17) , pp. 26685-26700 , 10.1364/OE.433199
Bancerek M., Czajkowski K.M. and Kotyński R.: Far-field signature of sub-wavelength microscopic objects, Optics Express, vol. 28(24) , pp. 36206-36218 , 2020 10.1364/OE.410240
Czajkowski K., Pastuszczak A., and Kotyński R., 2019, Single-pixel imaging with sampling distributed over simplex vertices, Optics Letters, vol. 44(5), pp. 1241-1244, 10.1364/OL.44.001241
Czajkowski K.M., Pastuszczak A., Kotyński R., 2018: Real-time single-pixel video imaging with Fourier domain regularization, Optics Express, vol. 26 , pp. 20009-20022 , 10.1364/OE.26.020009
Czajkowski K., Pastuszczak A. and Kotyński R., 2018: Single-pixel imaging with Morlet wavelet correlated random patterns, Scientific Reports, vol. 8, art. 466 , 10.1038/s41598-017-18968-6

Zaproponowaliśmy w niej nowy rodzaj rozwiązania problemu odwrotnego występującego w kompresywnej detekcji jednopunktowej, dzięki której detektor jednopunktowy może działać w czasie rzeczywistym. Przedstawiliśmy wyniki doświadczalne uzyskane z użyciem naszego detektora, przy częstości rekonstrukcji 11Hz i rozdzielczości 256x256 punktów.

Udostępnienie/publikacja oprogramowania (licencja GNU):

https://github.com/rkotynski/D_FDRID-FDRI - an efficient, fast, single-step reconstruction method for single-pixel imaging(A. Pastuszczak, R. Stojek, P. Wróbel, R. Kotyński), 2021
https://github.com/rkotynski/RDFTRestricted domain Fourier Transform for Matlab/Octave/Python (M. Bancerek, K. Czajkowski, R. Kotyński), 2020
https://github.com/KMCzajkowski/FDRI-single-pixel-imaging oraz FDRI.Fourier Domain Regularized Inversion (K. M. Czajkowski, A. Pastuszczak, and R. Kotyński), 2019

Image of the Week ze strony www.osapublishing.org z naszego artykułu

Czy można zrobić film fotodiodą?

Dziewiętnastowieczna telewizja mechaniczna nie wykorzystywała kamer tylko wirujący dysk Nipkowa. Współczesne cyfrowe metody transmisji obrazu nie przesyłają go punkt po punkcie, a wykorzystują kompresję stratną. Co z tych pomysłów można wykorzystać do budowy nowych detektorów? Jak zbudować kamerę działającą jednocześnie w kilku zakresach widmowych używając po jednej fotodiodzie, a nie macierzy detektorów na każdy zakres? Pytanie ważne szczególnie w odniesieniu do zakresów, dla których macierze detektorów nie istnieją lub są drogie. Kluczem jest odpowiednie zdefiniowanie pomiaru pośredniego, tak żeby za kompresję odpowiedzialny był już pomiar optyczny, a nie operacja na obrazie cyfrowym. Diabeł tkwi w szczegółach - jak zadbać o wysoką entropię informacyjną pomiaru, jak w prostym układzie zdefiniować pomiar różnicowy, jak wykorzystać wiedzę o statystyce obrazu i jak zrekonstruować obraz z pomiaru bez użycia dużych mocy obliczeniowych? Napisaliśmy o tym w naszym artykule

Differential real-time single-pixel imaging with Fourier domain regularization: applications to VIS-IR imaging and polarization imaging See Visualization 4 in Opt. Express 29(17), 26685-26700 (2021).

Film przedstawiający pomiar ruchomego robota-zabawki na tle napisu FUW i testu rozdzielczości, OSA zamieściła jako Image of the Week 7 September 2021 na stronie www.osapublishing.org

Projekt badawczy

Nadrozdzielczość ukryta w polu dalekim i przekształcenia przestrzenno-widmowe
Źródło finansowania: NCN, OPUS
Okres realizacji: 29 czerwca 2018–28 czerwca 2022

Optyczna detekcja jednopunktowa oparta na teorii oszczędnego próbkowania
Źródło finansowania: NCN, OPUS
Okres realizacji: 8 lipca 2015–7 stycznia 2018

Metamateriał plazmoniczny - liniowa filtracja przestrzenna nie ograniczona dyfrakcyjnie
Źródło finansowania: NCN, OPUS
Okres realizacji: 1 grudnia 2011–30 listopada 2013

Pastuszczak A., Stojek R., Wróbel P. and Kotynski R., 2021, Differential real-time single-pixel imaging with Fourier domain regularization - applications to VIS-IR imaging and polarization imaging, Optics Express, vol. 29(17), 26685-26700, 10.1364/OE.433199
Bancerek M., Czajkowski K.M. and Kotyński R., 2020, Far-field signature of sub-wavelength microscopic objects, Optics Express, vol. 28(24), 36206-36218, 10.1364/OE.410240
Czajkowski K., Pastuszczak A., and Kotyński R., 2019, Single-pixel imaging with sampling distributed over simplex vertices, Optics Letters, vol. 44(5), 1241-1244, 10.1364/OL.44.001241
Czajkowski K., Pastuszczak A. and Kotyński R., 2018, Single-pixel imaging with Morlet wavelet correlated random patterns, Scientific Reports, vol. 8, art. 466, 10.1038/s41598-017-18968-6
Czajkowski K.M., Pastuszczak A., Kotyński R., 2018, Real-time single-pixel video imaging with Fourier domain regularization, Optics Express, vol. 26(16), 20009-20022, 10.1364/OE.26.020009
Pastor-Calle D., Pastuszczak A., Mikołajczyk M., Kotyński R., 2017, Compressive phase-only filtering at extreme compression rates, Optics Communications, vol. 383, 446-452, 10.1016/j.optcom.2016.09.024
Pastuszczak A., Szczygieł B., Mikołajczyk M., Kotynski R., 2016, Efficient adaptation of complex-valued noiselet sensing matrices for compressed single-pixel imaging, Applied Optics, vol. 55 (19), 5141-5148, 10.1364/AO.55.005141
Pastor D., Stefaniuk T., Wróbel P., Zapata-Rodriguez C., Kotyński R., 2015, Determination of the point spread function of layered metamaterials assisted with the blind deconvolution algorithm, Optical and Quantum Electronics, vol. 47 (1), 17-26, 10.1007/s11082-014-0010-4
Pastuszczak A., Stolarek M., Antosiewicz T.J., Kotyński R., 2015, Multilayer metamaterial absorbers inspired by perfectly matched layers, Optical and Quantum Electronics, vol. 47 (1), 89-97, 10.1007/s11082-014-9986-z
Pastuszczak A., Kotyński R., 2011, Optimized low-loss multilayers for imaging with sub-wavelength resolution in the visible wavelength range, Journal of Applied Physics, vol. 109, art. 084302, 10.1063/1.3573479

dr hab. Rafał Kotyński
mgr Krzysztof Czajkowski
dr inż. Anna Pastuszczak
mgr Rafał Stojek
mgr Andrzej Janaszek