[논문 리뷰] Compressive Raman microspectroscopy parallelized by single-photon avalanche diode arrays

Clémence Gentner, Samuel Burri외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 18.

Spectroscopy Techniques in Biomedical and Chemical Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 512픽셀 LinoSPAD2 단일광자 압전다이오드 어레이를 활용하여 검출를 병렬화함으로써 효과적인 픽셀 체류 시간이 23 µs인 압축 Raman 미세분광계를 제시한다—기존 단일픽셀 접근 방식 대비 10배 이상의 속도 향상이다. DMD를 통한 프로그래머블 스펙트럼 필터링과 고속도 SPAD 어레이를 조합함으로써, 낮은 노이즈와 확장 가능한 성능을 갖춘 실시간 고속 화학 영상이 가능해지며, 이는 영상 속도 수준의 자발적 Raman 영상 촬영을 위한 길을 열어준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 약한 자발적 Raman 산란으로 인해 기존 Raman 미세분광계의 기본적인 속도 제한을 극복하기 위해.
• 압축 Raman에서 단일픽셀 검출의 병목 현상을 해결하기 위해 SPAD 어레이를 이용한 공간 병렬화를 도입하기 위해.
• 저조도, 낮은 노이즈의 SPAD 기술을 활용하여 최소한의 노이즈와 높은 민감도로 실시간 고속 이변량 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.
• 점원함수(PSF)를 설계하고 DMD 분산을 관리하여 프로그래머블 스펙트럼 분석기에서 스펙트럼 교차 간섭을 최소화하고 신호 정밀도를 최적화하기 위해.
• 생물학적 및 재료 과학 분야의 영상 속도 수준의 라벨 프리 화학 영상 촬영을 위한 확장 가능하고 비용 효율적인 플랫폼을 제공하기 위해.

제안 방법

• 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 기반으로 한 프로그래머블 스펙트럼 분석기를 활용하여 특정 스펙트럼 영역를 단일픽셀 SPAD로 유도함으로써, 이변량 데이터의 압축 감지 가능성을 확보한다.
• 고속도 512픽셀 LinoSPAD2 선형 어레이를 고유의 FPGA 보드를 통해 1:1 직접 읽기 방식으로 통합하여 공간적 픽셀 간 검출를 병렬화한다.
• 20× 목표렌즈(NA 0.5)를 통해 집광된 90 µm 너비의 선형 스캔 조명을 사용하여 샘플을 자극하고, 배경 노이즈를 제한하기 위해 30 µm 슬릿을 통한 1차원 공형 검출을 수행한다.
• 샘플 위를 선형으로 스캔하는 1차원 스캐닝 스테이지 구현을 통해, 조절 가능한 선 체류 시간(τldt)으로 선별적 방식으로 데이터를 획득한다.
• 픽셀 간 스펙트럼 교차 간섭을 최소화하기 위해 스펙트럼 분석기의 점원함수(PSF)를 최적화하여, 효과적인 결합을 위해 수십 µm 수준의 PSF를 달성한다.
• 압축 감지된 스펙트럼 측정치로부터 3차원 화학 영상(x, y, z)을 복원하기 위해, 감독 기반의 압축 Raman 알고리즘을 사용하고, 주파수 도메인 가우시안 스무딩을 통해 노이즈 제거를 수행한다.

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 $

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SPAD 어레이를 이용한 공간 병렬화가 기존 단일픽셀 검출 대비 압축 Raman 미세분광계에서 픽셀 체류 시간을 크게 단축시킬 수 있는가?
• RQ2 DMD에 의해 유도되는 스펙트럼 분산는 어느 정도 감소시킬 수 있으며, 이를 통해 SPAD 어레이에서 고정밀도, 저교차 간섭 검출이 가능해지는가?
• RQ3 고속도 SPAD 어레이를 사용한 병렬화된 압축 Raman 설정에서 실현 가능한 효과적인 픽셀 체류 시간(τpdt)은 얼마인가?
• RQ4 SPAD 어레이의 검출 효율(PDE)은 단일픽셀 SPAD와 비교해 어떻게 되며, 광학적 향상으로 인해 향상 가능할 만한 잠재력은 무엇인가?
• RQ5 이 시스템은 낮은 조도 조건과 표준 레이저 원천만으로도 자발적 Raman 미세분광계에서 영상 속도 수준의 영상 촬영을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 512픽셀 LinoSPAD2 어레이의 128픽셀 부분을 사용하여 효과적인 픽셀 체류 시간 23 µs를 달성하였으며, 이는 이전 단일픽셀 압축 Raman 시스템 대비 10배 향상된 성능이다.
• SPAD 어레이의 검출 효율(PDE)은 7%로 측정되었으며, 마이크로렌즈 통합을 통해 최대 20%까지 향상 가능하여 민감도를 3배 향상시킬 수 있다.
• 128픽셀 대신 전체 512픽셀 SPAD 픽셀을 사용할 경우 추가로 4배의 촬영 속도 향상이 가능하며, DMD의 두 출력을 모두 활용할 경우 추가로 2배의 속도 향상이 가능하다.
• 점원함수(PSF)는 안정적이고 컴act한(수십 µm 수준) 형태로 설계되어 픽셀 간 스펙트럼 교차 간섭을 최소화하였으며, 어레이 전반에 걸쳐 고정밀도 스펙트럼 검출이 가능하도록 하였다.
• 23 µs의 효과적인 체류 시간에서 수성 중 폴리스티렌(6 µm) 및 PMMA(5 µm) 입자의 3차원 화학 영상 촬영을 성공하였으며, 주파수 도메인 가우시안 스무딩을 통한 노이즈 제거 후에도 영상 품질이 유지되었다.
• 이론적 분석에 따르면, 효과적인 픽셀 체류 시간을 최대 20배까지 단축시킬 수 있으며, 이는 검출기의 死타임(Dead Time)의 기본 한계에 가까워지게 하여 진정으로 영상 속도 수준의 Raman 영상 촬영을 가능하게 할 것이다.

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