Riassunto analitico
La tesi tratta la progettazione, lo sviluppo e la validazione di un microscopio a luce strutturata a basso costo ed elevata flessibilità, basato su un proiettore commerciale in tecnologia DMD.
L'illuminazione strutturata consente di migliorare la qualità dell'immagine acquisita, sia in termini di riduzione del contributo degli oggetti fuori fuoco che in termini di risoluzione, consentendo di superare il limite fisico di diffrazione proprio dei microscopi convenzionali (super-resolution). Inoltre, tale metodica consente il sezionamento ottico del campione e quindi la ricostruzione dell'immagine 3D del campione stesso.
L'innovatività del lavoro svolto consiste nell'utilizzo di un microproiettore commerciale per la realizzazione dei pattern di illuminazione del campione. Tale scelta ha consentito sia di abbattere notevolmente i costi di realizzazione e gli ingombri, sia di ottenere un sistema estremamente versatile che consente all'utente di modificare facilmente i pattern di illuminazione. Inoltre, la velocità di proiezione propria della tecnologia DMD ha permesso di minimizzare i tempi di acquisizione delle immagini, riducendo così gli artefatti di misura legati ad eventuali vibrazioni e/o spostamenti del campione.
L'attività di tesi ha riguardato tutti gli aspetti della progettazione, a partire dal del layout opto-meccanico, fino alla scrittura del software di controllo ed elaborazione sviluppato in linguaggio Python e completo di interfaccia utente.
Il sistema realizzato è stato quindi testato e validato sia su standard di taratura (sferette fluorescenti nanometriche), che su reali strutture biologiche quali globuli rossi ed osteoblasti.
I risultati ottenuti hanno confermato la capacità del sistema di effettuare il sezionamento ottico del campione, con successiva ricostruzione tridimensionale. Si è inoltre verificata la capacità del sistema di implementare gli algoritmi di super-resolution.
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Abstract
The thesis presents the design, development and validation of a low-cost and high-flexibility structured-light microscope, based on a commercial projector equipped with DMD technology.
Structured illumination consents the enhancement of the acquired image, both reducing out-of-focus light contributions and raising the optical resolution, allowing to go beyond the physical diffraction limit found in traditional microscopes (super-resolution). Moreover, it permits the optical sectioning and the subsequent 3D reconstruction of the sample.
The innovation in the present work is the exploitation of a commercial micro projector to produce the structured-illumination patterns. Such choice permitted to severely reduce both the overall cost and size, while obtaining a highly versatile system that allows the user to easily modify the illumination patterns. Moreover, the projection speed typical of the DMD technology permitted to minimize the image acquisition time, lowering the impact of mechanical vibrations and/or sample movements on the obtained image.
The thesis work treated the entire design process, from the opto-mechanical layout to the development of the control and elaboration software, written in Python and provided with a graphical user interface.
Realized system has then been tested and validated, both with calibration standards (nanometric fluorescent beads) and with real biological samples, such as red blood cells and osteoblasts.
Obtained results confirmed the optical sectioning capability, with subsequent 3D reconstruction of the sample. Moreover, the capability of the system to implement super-resolution algorithms has been verified.
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