[論文レビュー] Compressive Raman microspectroscopy parallelized by single-photon avalanche diode arrays

Clémence Gentner, Samuel Burri+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2023

Spectroscopy Techniques in Biomedical and Chemical Research被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、512画素のLinoSPAD2単一光子増幅ダイオードアレイを用いて検出を並列化することで、23 µsの有効画素滞留時間を達成した圧縮ラーマンマイクロスペクトロスコピー系を提示する。これは従来の単一画素方式と比較して10倍以上の高速化を実現した。DMDによるプログラマブルなスペクトルフィルタリングと高スループットSPADアレイを組み合わせることで、最小限のノイズとスケーラブルな性能を実現したリアルタイムで高速な化学画像化が可能となり、動画レートの自発的ラーマン画像化への道筋が開かれる。

ABSTRACT

We demonstrate an efficient and scalable compressive Raman parallelization scheme based on single-photon avalanche diode (SPAD) arrays to reach pixel dwell times of 23 $μ$s, representing over 10$ imes$ speed-up using the otherwise weak spontaneous Raman effect.

研究の動機と目的

• 微弱な自発的ラーマン散乱による、従来のラーマンマイクロスペクトロスコピーの根本的な速度制限を克服すること。
• 圧縮ラーマンにおける単一画素検出のボトルネックを、SPADアレイを用いた空間並列化によって解消すること。
• 低光量・低ノイズSPAD技術を活用し、最小限のノイズと高い感度でリアルタイムで高速なハイパースペクトル画像化を実現すること。
• ポイントスプレッド関数（PSF）の設計とDMD分散の管理により、プログラマブルな分光計でスペクトルクロストークを最小限に抑え、信号忠実度を最適化すること。
• 生物学的・材料科学分野の応用において、動画レートでラベルフリーの化学画像化を可能にするスケーラブルでコスト効率の良いプラットフォームを実現すること。

提案手法

• デジタルマイクロミラー素子（DMD）を用いたプログラマブル分光計を採用し、特定のスペクトルチャンネルを単一画素SPADにルーティングすることで、ハイパースペクトルデータの圧縮センシングを実現する。
• カスタムFPGAボードによる1:1直接読み出しを備えた高スループット512画素LinoSPAD2線形アレイを統合し、空間画素にわたる検出を並列化する。
• 20×の対物レンズ（NA 0.5）を介して焦点を合わせた90 µm幅のラインスキャン照明を用い、30 µmスリットを介した1次元コアリス検出により、バックグラウンドノイズを制限する。
• 1次元スキャンステージを実装し、励起ラインを試料上を走査することで、線画ごとのデータ取得を実現し、可変な線画素滞留時間（τldt）を設定可能にする。
• 画素間スペクトルクロストークを最小限に抑えるために、分光計のポイントスプレッド関数（PSF）を最適化し、SPAD画素との効果的な結合を可能にする10〜数10 µm程度のコンactなPSFを達成する。
• ノイズ低減のためのフーリエドメインガウス平滑化を適用し、教師あり圧縮ラーマンアルゴリズムを用いて、圧縮スペクトル測定から3次元化学画像（x, y, z）を再構成する。

Figure 1 : Parallelized compressive Raman microspectroscopy. The line-shaped laser light is focused on the sample and imaged onto the grating of the spectrometer, defining the $N_{\lambda}$ wavelength bins on the DMD. The dimension along the excitation line on the DMD parallelizes the detection of $

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPADアレイを用いた空間並列化により、単一画素検出と比較して、圧縮ラーマンマイクロスペクトロスコピーにおける画素滞留時間を著しく短縮できるか？
• RQ2 DMDによるスペクトル分散は、どの程度軽減可能であり、SPADアレイで高忠実度・低クロストーク検出を実現できるか？
• RQ3 高スループットSPADアレイを用いた並列化された圧縮ラーマンセットアップで、実現可能な有効画素滞留時間（τpdt）はどの程度か？
• RQ4 SPADアレイの検出効率（PDE）は単一画素SPADと比較してどの程度か？光学的強化によりさらなる改善は可能か？
• RQ5 本システムは、低励起パワーと標準レーザー光源のみを用いて、動画レートのラーマンマイクロスペクトロスコピーを達成できるか？

主な発見

• 512画素LinoSPAD2アレイの128画素サブセットを用いて、23 µsの有効画素滞留時間を達成し、従来の単一画素圧縮ラーマンシステムと比較して10倍の高速化を実現した。
• SPADアレイの検出効率（PDE）は7%であったが、マイクロレンズの統合により20%まで向上可能であり、感度は3倍向上が見込まれる。
• 128画素ではなく512画素の全SPADピクセルを活用すれば、さらに4倍の取得速度向上が可能であり、DMDの2出力を利用するともにすれば、さらに2倍の高速化が得られる。
• ポイントスプレッド関数（PSF）は安定的かつコンact（数10 µm）に設計され、画素間スペクトルクロストークを最小限に抑え、アレイ全体にわたる高忠実度のスペクトル検出を可能にした。
• 23 µsの有効滞留時間で、水中におけるポリスチレン（6 µm）およびPMMA（5 µm）ビーズの3次元化学画像を取得し、フーリエドメインガウス平滑化によるノイズ低減後も画像品質が保持された。
• 理論的分析から、さらなる改善により有効画素滞留時間を最大20倍まで短縮可能であり、検出器のデッドタイムの根本的限界に近づけることが示唆され、真の動画レートラーマン画像化が可能になる。

Figure 2 : Characterization of the programmable spectrometer. (Top panel) Available spectral detection efficiency (blue) is limited by SPAD pixel crosstalk (see thumbnails for images acquired at the SPAD plane with an auxiliary camera). Displacement of the spot center (orange) in the $X$ (dashed) an