[論文レビュー] Resolution analysis in a lens-free on-chip digital holographic microscope

Jialin Zhang, Jiasong Sun+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2019

Digital Holography and Microscopy参考文献 43被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、レンズフリーオンチップデジタルホログラフィックマイクロスコピー（LFOCDHM）における分解能制限の包括的理論的分析を提示し、サンプル-センサ距離、照明のコhereney、ピクセルサイズ、再構成サブFOVを考慮した5つの伝達関数モデルを導出する。研究では、センサピクセルサイズが主な制限要因であると特定し、シミュレーションおよび実験を通じて、システムパラメータの最適化とピクセルスーパーレゾリューションの応用により分解能が顕著に向上することを示した。理論的モデルは分解能限界の正確な予測を可能にする。

ABSTRACT

Lens-free on-chip digital holographic microscopy (LFOCDHM) is a modern imaging technique whereby the sample is placed directly onto or very close to the digital sensor, and illuminated by a partially coherent source located far above it. The scattered object wave interferes with the reference (unscattered) wave at the plane where a digital sensor is situated, producing a digital hologram that can be processed in several ways to extract and numerically reconstruct an in-focus image using the back propagation algorithm. Without requiring any lenses and other intermediate optical components, the LFOCDHM has unique advantages of offering a large effective numerical aperture (NA) close to unity across the native wide field-of-view (FOV) of the imaging sensor in a cost-effective and compact design. However, unlike conventional coherent diffraction limited imaging systems, where the limiting aperture is used to define the system performance, typical lens-free microscopes only produce compromised imaging resolution that far below the ideal coherent diffraction limit. At least five major factors may contribute to this limitation, namely, the sample-to-sensor distance, spatial and temporal coherence of the illumination, finite size of the equally spaced sensor pixels, and finite extent of the image sub-FOV used for the reconstruction, which have not been systematically and rigorously explored until now. In this work, we derive five transfer function models that account for all these physical effects and interactions of these models on the imaging resolution of LFOCDHM. We also examine how our theoretical models can be utilized to optimize the optical design or predict the theoretical resolution limit of a given LFOCDHM system. We present a series of simulations and experiments to confirm the validity of our theoretical models.

研究の動機と目的

• レンズフリーオンチップデジタルホログラフィックマイクロスコピー（LFOCDHM）における像分解能を制限する物理的要因を体系的に調査すること。
• サンプル-センサ距離、照明の空間的・時間的コhereney、センサピクセルサイズ、再構成サブFOVの範囲を考慮した定量的伝達関数モデルを導出すること。
• LFOCDHMシステムの分解能限界を予測・最適化する理論的枠組みを提供すること。
• 分解能ターゲットを用いた制御されたシミュレーションおよび実験を通じて、理論的モデルを検証すること。
• 将来の高分解能LFOCDHMシステムの設計を支援し、分解能低下を補償するための計算手法の立案を支援すること。

提案手法

• サンプル-センサ距離、照明の空間的・時間的コhereney、有限ピクセルサイズ、有限再構成サブFOVが像分解能に与える影響を表す5つの伝達関数モデルの導出。
• 記録されたデジタルホログラムから焦点を合わせた像を数値的に再構成するためのバックプロパゲーションアルゴリズムの使用。
• 複数回の低分解能ホログラム測定から、有効なサブピクセル分解能を合成するためのピクセルスーパーレゾリューション（SR）アルゴリズムの適用。
• 実験において変数制御法を用い、1〜2つのパラメータを同時に変化させることで理論的予測を検証。
• 分解能ターゲットを用いて像分解能を定量的に評価し、モデルの正確性を検証。
• 導出された伝達関数に基づく前方像形成モデルの開発により、将来的な逆問題解法による分解能補償が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レンズフリーオンチップデジタルホログラフィックマイクロスコピー（LFOCDHM）における分解能を制限する主な物理的要因は何か？
• RQ2 サンプル-センサ距離、照明のコhereney、ピクセルサイズ、再構成サブFOVが、それぞれシステムの分解能性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ピクセルスーパーレゾリューションアルゴリズムは、有限のセンサピクセルサイズによって引き起こされる分解能低下をどの程度軽減できるか？
• RQ4 導出された伝達関数モデルは、特定のLFOCDHMシステムの理論的分解能限界を正確に予測できるか？
• RQ5 理論的モデルは、分解能を向上させるための光学的設計最適化をどのように支援できるか？

主な発見

• センサピクセルサイズがLFOCDHMにおける像分解能の最も重要な制限要因であると特定され、大きなピクセルはより顕著なアンダーサンプリングと回復不能な高周波数損失を引き起こす。
• ピクセルスーパーレゾリューションを適用しても、大きなピクセルではより高いアップサンプリング係数が必要となり、完全に回復できないクロスギャップが生じる。
• レーザー光源を用いることで時間的コhereneyが向上し分解能が向上するが、光源-サンプル距離を大きくすることで空間的コhereneyが向上する。
• サンプルとセンサの距離（z₂）を小さくすることでコhereneyと分解能が向上するが、同時に再構成可能な有効領域が減少する。
• 理論的モデルは、伝達関数の最小の第一次カットオフ周波数に基づき、スーパーレゾリューション後の達成可能な分解能を事前推定可能であることを示し、分解能限界を正確に予測できた。
• 実験的検証により、すべての理論的モデルの正確性が確認され、シミュレーションと物理的測定の両方で一貫した結果が得られた。