[論文レビュー] Handheld and low-cost digital holographic microscopy

Atsushi Shiraki, Yusuke Taniguchi+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2012

Digital Holography and Microscopy参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、Webカメラ、高出力RGB LED、ピンホール、オープンソースソフトウェアを用いて構築された、手のひらにのるサイズで低コストのデジタルホログラフィック顕微鏡（DHM）を提示する。総費用は250ドル未満、寸法は120×80×55 mmであり、インラインホログラフィーにより横方向分解能17.5 µmを達成。GPUアクセラレーションを用いたAngular Spectrum法によるリアルタイム再構成を実現し、現場および教育分野への応用を可能にした。

ABSTRACT

This study developed handheld and low-cost digital holographic microscopy (DHM) by adopting an in-line type hologram, a webcam, a high power RGB light emitting diode (LED), and a pinhole. It cost less than 20,000 yen (approximately 250 US dollars at 80 yen/dollar), and was approximately 120 mm x 80 mm x 55 mm in size. In addition, by adjusting the recording-distance of a hologram, the lateral resolution power at the most suitable distance was 17.5 um. Furthermore, this DHM was developed for use in open source libraries, and is therefore low-cost and can be easily developed by anyone. In this research, it is the feature to cut down cost and size and to improve the lateral resolution power further rather than existing reports. This DHM will be a useful application in fieldwork, education, and so forth.

研究の動機と目的

• 現場作業および教育用途に適したコンactで低コストのデジタルホログラフィック顕微鏡の開発を目的とする。
• 実用的な分解能と使いやすさを維持しながら、システム総費用を250ドル未満に抑えることを目的とする。
• 一般消費者向けハードウェアとオープンソースライブラリを用いて、リアルタイムのホログラム再構成を実現することを目的とする。
• 最適化されたセットアップと再構成手法により、既存の低コストDHMシステムを上回る横方向分解能を達成することを目的とする。
• 高出力RGB LEDとピンホールを用いたレンズレスでインラインのDHMが、点光源としての機能を果たす可能性を実証することを目的とする。

提案手法

• レンズを不要とするためにインラインデジタルホログラフィック顕微鏡を採用し、光学的複雑性を低減した。
• 対象波を生成するために、高出力RGB LED（470/525/625 nm）に5 µmのピンホールを組み合わせ、コherentな点光源とした。
• ホログラム記録用に、レンズを外した改造済みWebカメラ（Logitech C910）をCCDセンサーとして使用した。
• 短い伝搬距離における正確な回折シミュレーションを可能とするために、Angular Spectrum法を数値再構成に実装した。
• リアルタイムのホログラム取得にはOpenCVを、GPUアクセラレーションによる光の伝搬計算にはCWO++ライブラリを用いた。
• 横方向分解能を最大化するために、記録距離（光源からカメラまで13 mm、光源から物体まで3 mm）を最適化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般消費者向け部品とオープンソースソフトウェアを用いて、手のひらサイズで低コストのDHMを構築可能か？
• RQ2 短い伝搬距離に最適化した場合、このようなシステムが達成可能な横方向分解能は何か？
• RQ3 小型のシステムにおいて、WebカメラとGPUアクセラレーションを用いてリアルタイムのホログラム再構成を達成できるか？
• RQ4 従来のレーザー光源と比較して、高出力RGB LEDにピンホールを組み合わせた方式は、コスト、サイズ、性能の面でどのように異なるか？
• RQ5 オープンソースライブラリおよびハードウェアは、教育および現場応用におけるDHMの導入障壁をどの程度低減できるか？

主な発見

• 最適な記録距離で、USAF 1951テストターゲットを用いた測定により、横方向分解能が17.5 µmに達した。
• システム総費用は18,792円未満（80円/ドル換算で約250ドル）であり、Webカメラ、RGB LED、ピンホール、ケースを含む。
• システムの物理的寸法は120 mm × 80 mm × 55 mmであり、真正に手のひらサイズでポータブルであった。
• CWO++ライブラリを用いたGPUアクセラレーションによるAngular Spectrum法の実装により、リアルタイム再構成が可能になった。
• ピンホールを装着したLEDを用いたインライン構成により、オブジェクティブラスの必要がなく、コストとサイズを顕著に低減した。
• 低コスト、ポータビリティ、オープンソースソフトウェアの統合の観点から、現場応用および教育用途への実用性が実証された。