Методы оценки и анализа разрешающей способности цифровых голографических микроскопов

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.

1. Егоров Н.В., Антонова Л.И., Карпов А.Г. и др. Теоретическая и экспериментальная оценки электрических параметров голографического микроскопа. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2020;(10):79-84. DOI: 10.31857/S1028096020100040

2. Egorov NV, Karpov AG, Fedorov AG, et al. Technique for investigating the spatial structure of thin films at a nanolevel. Journal of surface investigation. X-ray, synchrotron and neutron techniques. 2011;5(5):992-995. DOI: 10.1134/S1027451011100089

3. Amann S, Witzleben M, Breuer S. 3D-printable portable open-source platform for low-cost lens-less holographic cellular imaging. Scientific Reports. 2019;(9):11260. DOI: 10.1038/s41598-019-47689-1

4. Kumar ShM, Hong J. A review of 3D particle tracking and flow diagnostics using digital holograpy. Measurement science and technology. 2025;36(3):032005. DOI: 10.1088/1361-6501/adabff

5. Nicholas BF, Lei F, Jiarong H. Holographic Air-Quality Monitor (HAM). Indoor Air. 2024;(1):2210837. DOI: 10.1155/2024/2210837.

6. Kim J, Go T, Lee S. J. Volumetric monitoring of airborne particulate matter concentration using smartphone-based digital holographic microscopy and deep learning. Journal of Hazardous Materials. 2021;(418):126351. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2021.126351

7. Kemppinen O, Laning JC, Mersmann RD, et al. Imaging atmospheric aerosol particles from a UAV with digital holography. Scientific Reports. 2020;(10):16085. DOI: 10.1038/s41598-020-72411-x

8. Cacace T, Del-Coco M, Carcagnì P, et al. HMPD: A novel dataset for microplastics classification with digital holography. Lecture Notes in Computer Science. In: Image Analysis and Processing. 2023:123-133. DOI: 10.1007/978-3-031-43153-1_11

9. Yuxing Li, Yanmin Zhu, Jianqing H, et al. High-throughput microplastic assessment using polarization holographic imaging. Scientific Reports. 2024;(14):2355. DOI: 10.1038/s41598-024-52762-5

10. Kim MK. Applications of digital holography in biomedical microscopy. Journal of the Optical Society of Korea. 2010;14(2):77-89. DOI: 10.3807/JOSK.2010.14.2.077

11. Anayet UD, Abdul BA, Muzafar B, et al. Applications of artificial intelligence and digital holography in biomedical microscopy. Authorea. 2023:28. DOI: 10.22541/au.167698220.02553258/v1

12. Lu H, Zhang Ch, Xu W, et al. Detection of ceramic stress intensity factor based on digital holography. Applied Optics. 2025;64(4):910-916. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.545843

13. Daniel RC, Cosme F. High-resolution imaging for in-situ non-destructive testing by quantitative lensless digital holography. Frontiers in Photonics. 2024;(5):1351744. DOI: 10.3389/fphot.2024.1351744

14. Wang Zh, Miccio L, Coppola S, et al. Digital holography as metrology tool at micro-nanoscale for soft matter. Light: Advanced Manufacturing. 2022;3(1):151-176. DOI: 10.37188/lam.2022.010

15. Kim J, Kim Y, Lee HS, et al. Single-shot reconstruction of three-dimensional morphology of biological cells in digital holographic microscopy using a physics-driven neural network. Nature Communications. 2024;(16):4840. DOI: 10.1038/s41467-025-60200-x

16. Tang M, He H, Yu L. Real-time 3D imaging of ocean algae with crosstalk suppressed single-shot digital holographic microscopy. Biomedical Optics Express. 2022;13(8):4455-4467. DOI: 10.1364/BOE.463678

17. Федоров А.Г., Платонов В.В., Жондорова Л.Л. и др. Разработка модели цифрового голографического микроскопа для исследования структур в оптическом диапазоне. Вестник СВФУ. 2024;21(2):77-83. DOI: 10.25587/2222-5404-2024-21-2-77-83.

18. Pen G, Caojin Y. Resolution enhancement of digital holographic microscopy via synthetic aperture: a review. Light: Advanced Manufacturing. 2022;3(1):105-120. DOI: 10.37188/lam.2022.006

19. Kobi A, Peng G, Vismay T. Optical super-resolution imaging: A review and perspective. Optics and Lasers in Engineering. 2024;(183):108536. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2024.108536

20. Jayakumar N, Ahluwalia BS. From superior contrast to super resolution label free optical microscopy. npj Imaging. 2025;3(1):1-16. DOI: 10.1038/s44303-024-00064-w

21. Huang Zh, Cao L. Quantitative phase imaging based on holography: trends and new perspectives. Light: Science & Applications. 2024;3(1):145. DOI: 10.1038/s41377-024-01453-x

22. Zhang J, Sun J, Chen Q, Zuo Ch. Resolution analysis in a lens-free on-chip digital holographic microscope. IEEE Transactions on Computational Imaging. 2020;(6):697-710. DOI: 10.1109/TCI.2020.2964247

23. Федоров А.Г., Трофимов В. В., Карпов А. Г. Численные методы и алгоритмы восстановления голографических изображений с произвольным выбором физических размеров плоскости объекта и наблюдения. Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2022;18(1):99-110. DOI: 10.21638/11701/spbu10.2022.108

24. Scott C, Potsaid B, Wen JT. Wide field scanning telescope using MEMS deformable mirrors. International Journal of Optomechatronics. 2010;4(3):285-305. DOI: 10.1080/15599612.2010.513720

25. Wang M, Feng Sh, Wu J. Multilayer pixel super-resolution lensless in-line holographic microscope with random sample movement. Scientific Reports. 2017;(7):12791. DOI: 10.1038/s41598-017-13134-4

26. Heejung L, JongWu K, Junwoo K, et al. Noniterative sub-pixel shifting super-resolution lensless digital holography. Optics Express. 2021;29(19):29996-30007. DOI: 10.1364/OE.433719