Федоров Артур Григорьевич – к. т. н., доц. каф. теоретической физики.
Якутск
Artur G. Fedorov – Cand. Sci. (Technology), Associate Professor, Department of Theoretical Physics, Institute of Physics and Technologies, M.K. Ammosov North-Eastern Federal University.
Yakutsk
Жондорова Любовь Леонидовна – студент 4 курса, группы Ф-21-1 ФТИ.
Якутск
Lyubov L. Zhondorova – 4th year Undergraduate Student, Institute of Physics and Technologies, M.K. Ammosov North-Eastern Federal University.
Yakutsk
Федорова Любовь Константиновна – ведущий инженер кафедры теоретической физики, ФТИ.
Якутск
Lyubov K. Fedorova – Leading Engineer, Department of Theoretical Physics and Technologies, M.K. Ammosov North-Eastern Federal University.
Yakutsk
В настоящей работе рассматривается комплексный численный подход к оценке и анализу разрешающей способности цифровых голографических микроскопов. Рассмотрены пять ключевых факторов, оказывающих наибольшее влияние на качество восстановления изображения: расстояние от объекта до сенсора, временная и пространственная когерентность источника, физический размер пикселя детектора, а также оптическое поле зрения (Field of View, FOV). Для каждого из указанных факторов разработаны алгоритмы численного моделирования, объединенные в единую программную платформу, позволяющую проводить систематический анализ без необходимости проведения физических экспериментов. Это особенно актуально при разработке компактных и недорогих цифровых голографических микроскопов. Реализована численная модель распространения волны методом углового спектра, проведено моделирование типовой схемы голографического микроскопа. Валидация результатов и оценка разрешающей способности основаны на мишени USAF-1951. Установлено, что наиболее значимые ограничения связаны с размером пикселя, расстоянием между объектом и экраном и размерами области восстановления. Когерентные характеристики источника также оказывают влияние, однако в ряде практических случаев могут быть компенсированы на этапе проектирования. Показано, что разработанный алгоритм позволяет производить предварительную оценку теоретического предела разрешения для заданной конфигурации системы и выявлять доминирующие ограничения. Научная новизна работы заключается в объединении всех основных факторов в единой программной среде, что позволяет проводить численную оптимизацию параметров цифровых голографических микроскопов на этапе его проектирования. Предложенный подход может быть использован при создании портативных голографических микроскопов для задач биомедицины, мониторинга микропластика и других прикладных областей.
This study presents a comprehensive numerical approach for evaluating and analyzing the resolution of digital holographic microscopes. The analysis focuses on five key factors that have the greatest impact on image reconstruction quality: object-to-sensor distance, temporal and spatial coherence of the illumination source, physical pixel size of the detector, and the optical field of view (FOV). For each of these factors, numerical modeling algorithms were developed and integrated into a unified software platform that enables systematic analysis without the need for physical experiments. This is particularly relevant for the development of compact and low-cost digital holographic microscopes. A wave propagation model based on the angular spectrum method was implemented, and simulations were conducted for a typical holographic microscope configuration. Validation of the results and resolution assessment were carried out using the USAF 1951 resolution target. It was found that the most significant limitations are associated with pixel size, object-to-sensor distance, and the size of the reconstruction area. Coherence properties of the source also affect resolution but can often be compensated for during the design phase. It is demonstrated that the developed algorithm enables preliminary estimation of the theoretical resolution limit for a given system configuration and identification of dominant constraints. The scientific novelty of this work lies in the integration of all major resolution-related factors into a single computational environment, enabling numerical optimization of digital holographic microscope parameters during the design stage. The proposed approach can be applied in the development of portable holographic microscopes for applications in biomedicine, microplastic monitoring, and other practical domains.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.