[논문 리뷰] Handheld and low-cost digital holographic microscopy

Atsushi Shiraki, Yusuke Taniguchi외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 02.

Digital Holography and Microscopy참고 문헌 7인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 웹캠, 고성능 RGB LED, 피노크, 오픈소스 소프트웨어를 사용하여 제작한 휴대용 저비용 디지털 홀로그래픽 현미경(DHM)을 제시한다. 총 비용은 250달러 이하이며, 크기는 120×80×55 mm이다. 일체형 홀로그래피를 통해 17.5 µm의 횡방향 해상도를 달성하고, GPU 가속을 통한 각도 스펙트럼 방법을 이용한 실시간 재구성 기능을 제공하여 현장 및 교육용 응용에 적합하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 현장 작업 및 교육에 적합한 소형이고 저비용의 디지털 홀로그래픽 현미경을 개발하기 위해.
• 실용적인 해상도와 사용성을 유지하면서 시스템 총 비용을 250달러 이하로 낮추기 위해.
• 소비자 수준의 하드웨어와 오픈소스 라이브러리를 사용하여 실시간 홀로그래픽 재구성 기능을 구현하기 위해.
• 최적화된 설정과 재구성 방법을 통해 기존 저비용 DHM 시스템을 초월하는 횡방향 해상도 향상을 위해.
• 고성능 RGB LED와 피노크를 이용한 렌즈가 없는 일체형 DHM의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 렌즈가 필요 없고 광학적 복잡성을 줄이기 위해 일체형 디지털 홀로그래픽 현미경 기법을 채택하였다.
• 물체파를 생성하기 위해 고성능 RGB LED(470/525/625 nm)와 5 µm 피노크를 이용해 간섭가능한 점광원을 구현하였다.
• 홀로그램 기록을 위한 CCD 센서로, 렌즈를 제거한 수정된 웹캠(Logitech C910)을 사용하였다.
• 단거리 전파 거리에서 정확한 회절 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해 각도 스펙트럼 방법을 구현하였다.
• 실시간 홀로그램 촬영을 위해 OpenCV를 사용하였고, GPU 가속을 통한 광학적 전파 계산을 위해 CWO++ 라이브러리를 활용하였다.
• 횡방향 해상도를 극대화하기 위해 기록 거리(광원에서 카메라까지 13 mm, 광원에서 물체까지 3 mm)를 최적화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소비자 수준의 구성 요소와 오픈소스 소프트웨어를 사용하여 휴대용 저비용 DHM를 제작할 수 있는가?
• RQ2 단거리 전파 거리에서 최적화된 시스템에서 달성 가능한 횡방향 해상도는 얼마인가?
• RQ3 소형 시스템에서 웹캠과 GPU 가속을 사용하여 실시간 홀로그래픽 재구성을 달성할 수 있는가?
• RQ4 기존 레이저 소스와 비교할 때 고성능 RGB LED에 피노크를 사용하는 것이 비용, 크기, 성능 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 오픈소스 라이브러리와 하드웨어는 교육 및 현장 응용 분야에서 DHM의 접근 장벽을 얼마나 낮출 수 있는가?

주요 결과

• 최적의 기록 거리에서 USAF 1951 테스트 타겟을 사용해 측정한 시스템의 횡방향 해상도는 17.5 µm였다.
• 웹캠, RGB LED, 피노크, 케이스 등을 포함한 시스템의 총 비용은 18,792엔 미만(~250달러, 환율 80엔/달러 기준)이었다.
• 시스템의 물리적 치수는 120 mm × 80 mm × 55 mm였으며, 진정으로 휴대 가능하고 이동성이 뛰어난 크기였다.
• CWO++ 라이브러리를 사용한 GPU 가속을 통한 각도 스펙트럼 방법의 구현으로 실시간 재구성이 가능해졌다.
• 피노크를 장착한 LED를 사용한 일체형 구성은 목적 렌즈가 필요 없게 하여 비용과 크기를 크게 줄였다.
• 저비용, 이동성, 오픈소스 소프트웨어 통합으로 인해 현장 응용 및 교육용으로의 실현 가능성이 입증되었다.