[논문 리뷰] Adaptive optical focusing through perturbed scattering media with dynamic mutation algorithm

Huanhao Li, Chi Man Woo외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 17.

Random lasers and scattering media참고 문헌 26인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 산란 매질을 통한 적응광학 집중을 위한 동적 변형 알고리즘을 제안하며, 바이너리 진폭 조절과 파면 오차 간의 이론적으로 증명된 제곱 법칙을 사용하여 실시간으로 파면 오차를 정량화한다. 이 방법은 실시간 집중 성능 지표에 기반해 공간 광 조절기를 동적으로 조정함으로써, 이전에는 기존 반복 알고리즘으로는 이룰 수 없었던 갑작스러운 교란 이후 빠른 집중 회복을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Optical focusing through/inside scattering media, like multimode fiber and biological tissues, has significant impact in biomedicine yet considered challenging due to strong scattering nature of light. Previously, promising progress has been made, benefiting from the iterative optical wavefront shaping, with which deep-tissue high-resolution optical focusing becomes possible. Most of iterative algorithms can overcome noise perturbations but fail to effectively adapt beyond the noise, e.g. sudden strong perturbations. Re-optimizations are usually needed for significant decorrelated medium since these algorithms heavily rely on the optimization in the previous iterations. Such ineffectiveness is probably due to the absence of a metric that can gauge the deviation of the instant wavefront from the optimum compensation based on the concurrently measured optical focusing. In this study, a square rule of binary-amplitude modulation, directly relating the measured focusing performance with the error in the optimized wavefront, is theoretically proved and experimentally validated. With this simple rule, it is feasible to quantify how many pixels on the spatial light modulator incorrectly modulate the wavefront for the instant status of the medium or the whole system. As an example of application, we propose a novel algorithm, dynamic mutation algorithm, with high adaptability against perturbations by probing how far the optimization has gone toward the theoretically optimum. The diminished focus of scattered light can be effectively recovered when perturbations to the medium cause significant drop of the focusing performance, which no existing algorithms can achieve due to their inherent strong dependence on previous optimizations. With further improvement, this study may boost or inspire many applications, like high-resolution imaging and stimulation, in instable scattering environments.

연구 동기 및 목표

• 산란 매질에서 갑작스럽고 강한 교란이 발생할 경우 기존의 반복적 파면 형상 조절 알고리즘이 적응하지 못하는 한계를 극복하기 위해.
• 최적의 파면 보정 상태에서의 이격 정도를 평가할 수 있는 실시간 지표가 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 생물 조직이나 多모드 섬유와 같은 불안정한 산란 환경에서도 견고한 광학 집중을 가능하게 하기 위해.
• 이전 최적화 이력에 의존도를 줄여, 분리 후 빠른 재최적화가 가능한 방법을 개발하기 위해.
• 바이너리 진폭 조절과 파면 오차 간의 이론적 제곱 법칙이 실시간 성능 모니터링에 활용될 수 있음을 검증하기 위해.

제안 방법

• 바이너리 진폭 조절과 파면 오차 간의 제곱 법칙을 이론적으로 유도하여, 공간 광 조절기 상의 잘못 조절된 위상 픽셀을 직접 정량화할 수 있도록 한다.
• 실시간 광학 집중 성능 측정을 활용해 현재 최적의 파면 보정 상태에서의 이격 정도를 계산한다.
• 오차 지표에 기반해 최적의 이론적 상태에 도달한 정도를 평가할 수 있도록 동적 변형 알고리즘을 설계한다.
• 오차 지표를 통해 식별된 고오차 픽셀을 선택적으로 변형하여 파면 보정을 조정하는 피드백 루프를 구현한다.
• 매질의 성질이 갑작스럽게 변화하는 동적 산란 환경(예: 조직 이동 또는 섬유 진동)에 알고리즘을 적용한다.
• 공간 광 조절기와 파면 센서를 사용하여 집중 강도를 측정하고 실시간으로 교란을 보정함으로써 실험적 검증을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 산란 매질에서 최적의 보정 상태에 대한 파면 오차를 정량화할 수 있는 실시간 지표를 도출할 수 있는가?
• RQ2 파면 형상 조절 알고리즘은 어떻게 갑작스럽고 강한 교란으로 인해 매질의 상관관계가 끊어지는 상황에서도 내성적으로 견딜 수 있도록 만들 수 있는가?
• RQ3 매질의 교란으로 인해 집중 성능이 크게 떨어졌을 경우, 동적 변형 알고리즘이 얼마나 잘 광학 집중을 회복할 수 있는가?
• RQ4 바이너리 진폭 조절의 제곱 법칙이 실험적으로 파면 오차의 신뢰할 수 있는 지표로 검증될 수 있는가?
• RQ5 이전 최적화 이력에 대한 의존도를 줄이면, 불안정한 산란 환경에서 재최적화 속도와 내성성은 향상되는가?

주요 결과

• 바이너리 진폭 조절의 제곱 법칙은 이론적으로 증명되었고 실험적으로도 검증되었으며, 공간 광 조절기 상의 잘못 조절된 픽셀 수준에서 파면 오차를 직접 정량화할 수 있도록 하였다.
• 동적 변형 알고리즘은 집중 성능이 급격히 떨어지는 심각한 교란 이후에도 집중된 빛을 성공적으로 회복하였으며, 이는 기존의 반복적 알고리즘에서는 실현되지 않았던 능력이다.
• 실시간 성능 피드백에 기반해 보정을 동적으로 조정함으로써 높은 적응성을 보였으며, 이로 인해 이전 최적화 상태에 대한 의존도가 감소하였다.
• 실험을 통해 매질이 강한 갑작스러운 변화를 겪는 상황에서도 알고리즘이 파면 오차를 식별하고 보정할 수 있음을 확인하였다.
• 생물 조직이나 다중모드 섬유와 같은 불안정한 산란 환경에서 기존 방법이 분리 후 기능을 상실하는 상황에서도 이 방법은 빠른 재최적화를 가능하게 하였다.
• 기존의 파면 형상 조절 기법의 한계를 극복함으로써, 동적 생물 시스템에서 고해상도 영상 촬영 및 자극에 기초를 마련하였다.