[논문 리뷰] Scan-less confocal phase microscopy based on dual comb spectroscopy of two-dimensional-image-encoding optical frequency comb

Eiji Hase, Takeo Minamikawa외 11명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 20.

Digital Holography and Microscopy참고 문헌 27인용 수 37

한 줄 요약

이 논문은 2차원 이미지 인코딩을 적용한 광주파수콤과 双콤 스펙트로스코피를 사용하여 스캔이 없는 공초점 위상 현미경 기술을 제시한다. 표본 픽셀을 이산적 OFC 모드에 스펙트럼으로 인코딩하고, 이중콤 검출을 통해 진폭 및 위상 스펙트럼을 해상도를 유지한 채로 분석함으로써, 공초점 영상에서는 62.4 µm, 위상 영상에서는 13.7 nm의 깊이 해상도를 확보하였으며, 공초점 해상도와 위상 감싸짐 주기의 일치를 통해 위상 풀림을 가능하게 하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스캔이 없는 현미경 플랫폼에서 공초점 영상 및 위상 영상 기능을 통합하기 위해.
• 광주파수콤을 이용하여 공초점 영상와 위상 영상 간의 깊이 해상도 간 상충 관계를 극복하기 위해.
• 기계적 스캔 없이 고해상도 전장 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.
• 공초점 해상도와 위상 감싸짐 주기 간의 간섭을 통해 위상 감싸짐의 모호성을 해소하기 위해.

제안 방법

• 표본의 2차원 이미지가 스펙트럼 인코딩을 통해 광주파수콤(OFC)의 모드에 인코딩된다.
• OFC는 병렬 데이터 전송을 위한 이산적 주파수 채널을 갖는 광대역 광선성 운반체로 기능한다.
• 이중콤 스펙트로스코피를 사용하여 OFC 모드의 진폭 및 위상 스펙트럼을 모드 해상도로 분석한다.
• 모드 해상도 진폭 스펙트럼을 기반으로 62.4 µm의 깊이 해상도를 갖는 공초점 영상이 복원된다.
• 모드 해상도 위상 스펙트럼을 디코딩하여 13.7 nm의 깊이 해상도를 갖는 위상 영상이 생성된다.
• 공초점 해상도를 위상 감싸짐 주기와 일치시킴으로써 위상 감싸짐의 모호성이 제거된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 개의 광주파수콤 플랫폼이 기계적 스캔 없이 고해상도 공초점 영상 및 위상 영상 기능을 동시에 구현할 수 있는가?
• RQ2 공초점 영상의 깊이 해상도를 위상 감싸짐 주기와 일치시켜 위상 모호성을 해소할 수 있는가?
• RQ3 2D 인코딩 OFC의 모드 해상도 이중콤 스펙트로스코피를 통해 진폭 및 위상 영상에서 확보 가능한 깊이 해상도는 얼마인가?
• RQ4 공간 픽셀을 OFC 모드에 스펙트럼 다중화하여 전장 스캔 없는 영상 촬영이 가능한가?
• RQ5 OFC의 간섭성은 복합 현미경에서 동시에 진폭 및 위상 디코딩을 가능하게 하여 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 이중콤 스펙트로스코피에서 확보한 모드 해상도 진폭 스펙트럼을 기반으로 62.4 µm의 깊이 해상도로 공초점 영상이 복원되었다.
• 모드 해상도 위상 스펙트럼을 디코딩하여 13.7 nm의 깊이 해상도를 갖는 위상 영상이 확보되었다.
• 공초점 해상도와 위상 감싸짐 주기 간의 일치로 인해 위상 감싸짐의 모호성이 성공적으로 해결되었다.
• 스펙트럼 다중화를 통해 OFC 모드에 2차원 공간 정보를 인코딩함으로써 전장, 스캔 없는 영상 촬영이 달성되었다.
• 복합 현미경 접근법을 통해 단일 촬영에서 고공간 해상도 및 고깊이 해상도를 갖는 동시에 공초점 영상 및 위상 영상 촬영이 가능해졌다.