Near field phase retrieval in lensless optical microscopy

This thesis presents a single-measurement phase retrieval (SM-PR) method for near-field lensless optical microscopy, addressing the challenge of recovering optical phase information from intensity-only measurements. The approach uses an artificial mask at the object plane to impose mathematical constraints, enabling quantitative phase reconstruction without reference beams or multiple exposures. A Generalized Propagation Algorithm (GPA) models near-field diffraction, while a generalized Hybrid Input-Output (gHIO) algorithm and Gradient Descent Optimization (GDO) module enable iterative phase recovery and automatic system calibration. Numerical simulations confirm successful reconstructions under ideal conditions, while experiments on a custom-built lensless microscope validate the calibration process but reveal sensitivity to noise and experimental uncertainties. The results establish a theoretical and experimental foundation for compact, cost-effective, and single-shot quantitative phase imaging with promising applications in biomedical and materials science.

Questo lavoro di tesi presenta un metodo di ricostruzione di fase a singola misura (SM-PR, Single-Measurement Phase Retrieval) per la microscopia ottica lensless in campo vicino, affrontando la sfida del recupero dell’informazione di fase ottica a partire da sole misure di intensità. L’approccio utilizza una maschera posta sul piano dell’oggetto per imporre vincoli matematici, consentendo la ricostruzione quantitativa della fase senza l’uso di fasci di riferimento o esposizioni multiple. Un Algoritmo di Propagazione Generalizzato (GPA) modella la diffrazione nel campo vicino, mentre un algoritmo Hybrid Input-Output generalizzato (gHIO) e un modulo di Ottimizzazione per Discesa del Gradiente (GDO) permettono il recupero iterativo della fase e la calibrazione automatica del sistema. Le simulazioni numeriche confermano ricostruzioni accurate in condizioni ideali, mentre gli esperimenti condotti su un microscopio lensless convalidano il processo di calibrazione, ma rivelano anche la sensibilità del sistema al rumore e alle incertezze sperimentali. I risultati pongono le basi teoriche e sperimentali per un sistema di imaging quantitativo della fase compatto, economico e a singolo scatto, con promettenti applicazioni nei campi della biomedicina e della scienza dei materiali.