Výpočetní spektroskopie a zobrazování

Skupina výpočetní spektroskopie a zobrazování centra TOPTEC se zabývá výzkumem nových metod ultrarychlé a nelineární spektroskopie na bázi tzv. komprimovaného snímání. Součástí je také výzkum tzv. hyperspektrálního zobrazování (viz níže) v netradičních spektrálních oblastech.

Ultrarychlá a nelineární spektroskopie se zabývá studiem vlastností látek a velmi rychlých dějů uvnitř nejrůznějších materiálů. Díky použití velmi krátkých laserových pulsů je možné zkoumat procesy  na škále femtosekund, což z hlediska člověka nepředstavitelně krátká doba. Jde ale o časovou škálu, kde se odehrává celá řada důležitých procesů. Například rozhoduje o tom, zda elektrony vybuzené v solárních článcích dokáží předat energii dál nebo budou zachyceny, případně vyzáří opět světlo (tzv. fotoluminiscence). Nelineární optika má pak schopnost selektivně zkoumat pouze rozhraní látek – například přechod mezi povrchem čočky a anti-reflexní vrstvou na jejím povrchu.

Hyperspektrální zobrazování je název pro snímání obrazu, kde v každém bodě (pixelu) obrazu dokážeme určit také spektrum. Získáváme tak mnohem detailnější informaci o zobrazované scéně. Například v infračervené (IR) spektrální oblasti takto můžeme identifikovat ze spektra stopy jednotlivých chemických sloučenin.

 Komprimované snímání představuje nový přístup k získávání dat. Využívá se tzv. řídkosti (angl. sparsity) u řady běžně měřených dat. To značí, že stejná informace může být  ve vhodně zvolené bázi vyjádřená jen pomocí několika komponent. Typickým příkladem je fotografie, kde velké množství dat lze pomocí vlnkové (angl. wavelet) transformace zkomprimovat do nepoměrně menšího souboru (JPEG2000). Komprimované snímání umožňuje výpočetní rekonstrukci dat ze silně podurčeného systému, tj. počet měřených hodnot  je výrazně nižší než počet datových bodů. Tento nový přístup umožňuje zcela nová a nečekaná řešení standardních problémů, jako je např. měření obrazové informace.

Tým a vybavení

• Vedoucí skupiny RNDr. Karel Žídek, Ph.D. se dlouhodobě zabývá laserovou časově rozlišenou spektroskopií a možností implementace komprimovaného snímání v laserové spektrokopii. Za svou práci v oblasti ultrarychlé femtosekundové spektroskopie získal v roce 2017 Prémii Otto Wichterleho.

• Mezinárodní tým tvoří vědečtí pracovníci (především doktoři a inženýři) a studenti zejména doktorských oborů, kteří zároveň na pracovišti řeší své disertační práce.

Skupina využívá dobře vybavené laserové laboratoře, včetně:

• laboratoře ultrarychlé spektroskopie s zesilovaným femtosekundovým laserovým systémem, možností konverze fs pulsů pomocí nekolineárního parametrického zesilovače (NOPA) a fotonického vlákna (PCF)
• možností upravovat fs pulsy pomocí 4f tvarovače pulsů na bázi prostorové modulace světla (SLM), rovněž pulsy charakterizujeme pomocí experimentu FROG.
• aparatury pro časově korelované čítání fotonů (TCSPC)
• laserové (pro VIS až NIR) i nekoherentní zdroje pro VUV (160 nm) až far-IR;
• detekční systémy (citlivá chlazená CCD, kamery, fotodiody, fotonásobiče, spektrometry);
• specializované optické elementy např. pro modulaci světla pomocí DMD (digital micromirror device).

Činnost

• ultrarychlá spektroskopie s náhodnou fází: Měření ultrarychlých dějů pomocí současných metod vyžaduje získat velmi krátký, tzv. komprimovaný, laserový puls. Komprimování širokospektrálních pulsů je velmi náročné a je nutné jej při každé změně experimentu korigovat a v některých případech – například pokud vzorek silně rozptyluje - je komprimace pulsů prakticky nemožná. Ve skupině Výpočetní spektroskopie a zobrazování vyvíjíme nové metody, kde budou ultrarychlé děje měřeny pomocí náhodných pulsů a následně výpočetně rekonstruovány. Tento výzkum probíhá s podporu Akademie Věd ČR, v.v.i. grantu ERC-CZ/AV-B.

• hyperdimenzionálního zobrazování (kombinující zobrazování se spektrálním nebo časovým rozlišením), a to zejména v exotických spektrálních (střední/daleká IČ oblast) a časových (fs) oblastech, kde je použití standardních přístupů problematické nebo nemožné. Konkrétními cíly je např. rozvíjet možnosti použití nechlazených detektorů pro hyperspektrální zobrazování v IR oblasti nebo hledání nových přístupů k hyperspektrálnímu zobrazování pomocí metod komprimovaného snímání.

• výpočetního zobrazování, kde za pomoci algoritmů komprimovaného snímání provádíme vývoj nových zobrazovacích soustav s alternativním přístupem (např. zcela bez použití čočky) apod. Zde se zaměřujeme na (i) metodu CASSI (coded-aperture single-snapshot spectral imaging), která za použití komprimovaného snímání umožňuje zachytit a zrekonstruovat 3D hyperspektrální informaci pomocí jediného 2D snímku kamery; (ii) metodu tzv. jednopixelové kamery (single-pixel camera), která umožňuje provádět zobrazování za pomocí jednopixelového detektoru (např. fotodiody).  Zajímá nás zejména možnost využití výpočetního zobrazování v laserové spektroskopii.

Projekty

• Robustní detekční systém s hyperspektrálním snímáním PDF (0,5 MB);
• Hyperspektrální detekční systém nebezpečných substancí PDF (0,3 MB);
• Koherentní kódování excitace pro využití komprimovaného snímání v laserové spektroskopii PDF (0,4 MB);
• Zobrazení otisků chemických látek ve světle pomocí hyperspektrální kamery
• Ultrarychlá spektroskopie s náhodnou fází

Spolupráce

Spolupracujeme s tuzemskými i zahraničními vědeckými pracovišti, jako například s Univerzitou v Lundu (Švédsko), Fyzikálním ústavem AV ČR, v.v.i., Univerzitou Karlovou v Praze, Univerzitou v Bergenu (Norsko), Univerzitou obrany v Brně nebo Technickou univerzitou v Liberci. Neméně důležitými partnery v našem výzkumu jsou také organizace aplikační sféry jako například APPLIC spol. s r.o., CRYTUR spol. s.r.o. nebo Vojenský výzkumný ústav, s. p.

Kontakt

RNDr. Karel Žídek, Ph.D.
Tel.: +420 487 953 901
E-mail: zidek@ipp.cas.cz