[論文レビュー] Scan-less confocal phase microscopy based on dual comb spectroscopy of two-dimensional-image-encoding optical frequency comb

Eiji Hase, Takeo Minamikawa+11 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2017

Digital Holography and Microscopy参考文献 27被引用数 37

ひとこと要約

本稿では、2次元画像符号化光学周波数コムとデュアルコム分光法を用いたスキャンフリーな共焦点位相顕微鏡法を提案する。サンプル画素を離散的なOFCモードにスペクトル符号化し、デュアルコム検出によって振幅および位相スペクトルをモード分解して解像することで、共焦点像の分解能は62.4 µm、位相像の分解能は13.7 nmに達し、共焦点と位相折りたたみ周期を一致させることで位相アンラップが可能となる。

ABSTRACT

Confocal imaging and phase imaging are powerful tools in life science research and industrial inspection. To coherently link the two techniques with different depth resolutions, we introduce an optical frequency comb (OFC) to microscopy. Two-dimensional (2D) image pixels of a sample were encoded onto OFC modes via 2D spectral encoding, in which OFC acted as an optical carrier with a vast number of discrete frequency channels. Then, a scan-less full-field confocal image with a depth resolution of 62.4 um was decoded from a mode-resolved OFC amplitude spectrum obtained by dual-comb spectroscopy. Furthermore, a phase image with a depth resolution of 13.7 nm was decoded from a mode-resolved OFC phase spectrum under the above confocality. The phase wrapping ambiguity can be removed by the match between the confocal depth resolution and the phase wrapping period. The proposed hybrid microscopy approach will be a powerful tool for a variety of applications.

研究の動機と目的

• スキャンフリーな顕微鏡プラットフォームに共焦点像と位相像を統合すること。
• 光学周波数コムを用いて共焦点像と位相像の分解能のトレードオフを克服すること。
• 機械的スキャンを用いずに高分解能でフルフィールド像を得ること。
• 共焦点分解能と位相折りたたみ周期の整合性により位相アンビギュイティを解消すること。

提案手法

• サンプルの2次元画像がスペクトル符号化により光学周波数コム（OFC）のモードに符号化される。
• OFCは、並列データ伝送用の離散周波数チャンネルを有する広帯域光キャリアとして機能する。
• デュアルコム分光法を用いて、モード分解能を保ちながらOFCモードの振幅および位相スペクトルを解像する。
• モード分解された振幅スペクトルから共焦点像が再構成され、62.4 µmの深度分解能を達成する。
• モード分解された位相スペクトルから位相像が復元され、13.7 nmの深度分解能を達成する。
• 共焦点深度分解能と位相折りたたみ周期を一致させることで、位相折りたたみのアンビギュイティが解消される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの光学周波数コムプラットフォームが、機械的スキャンを用いずに高分解能の共焦点像と位相像を同時に実現できるか？
• RQ2 共焦点像の深度分解能を位相折りたたみ周期に一致させることで、位相アンビギュイティを解消する方法は何か？
• RQ3 2次元符号化OFCのモード分解されたデュアルコム分光法を用いた場合、振幅像および位相像における実現可能な深度分解能は何か？
• RQ4 スペクトル多重を用いて空間画素をOFCモードに符号化することで、フルフィールドでスキャンフリーな像を得られるか？
• RQ5 OFCのコherenecが、ハイブリッド顕微鏡法における同時的な振幅および位相復元を可能にする役割は何か？

主な発見

• デュアルコム分光法によるモード分解された振幅スペクトルから、62.4 µmの深度分解能を有する共焦点像が再構成された。
• モード分解された位相スペクトルから位相像が復元され、13.7 nmの深度分解能を達成した。
• 共焦点深度分解能と位相折りたたみ周期の一致により、位相折りたたみのアンビギュイティが正常に解消された。
• スペクトル多重を用いて2次元空間情報をOFCモードに符号化することで、フルフィールドでスキャンフリーな像が実現された。
• ハイブリッド顕微鏡法により、1回の測定で高空間分解能および高深度分解能を有する共焦点像と位相像を同時に得られるようになった。