[논문 리뷰] Synthetic Wavelength Holography: An Extension of Gabor's Holographic Principle to Imaging with Scattered Wavefronts

Florian Willomitzer, Prasanna Rangarajan외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 24.

Digital Holography and Microscopy참고 문헌 60인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 가까운 파장에서 기록된 스펙클 패턴의 스펙트럼 상관관계를 활용하여 산란 매질을 통과하는 동안 왜곡된 파면을 보정하고 고해상도 영상 재구성을 가능하게 하는 합성 파장 허브로그래피를 소개한다. 이 기법은 컴퓨터적으로 두 스펙클 장을 조합하여 더 긴 효과적 파장을 생성함으로써, 심한 위상 왜곡에도 불구하고 고해상도 영상 재구성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The presence of a scattering medium in the imaging path between an object and an observer is known to severely limit the visual acuity of the imaging system. We present an approach to circumvent the deleterious effects of scattering, by exploiting spectral correlations in scattered wavefronts. Our method draws inspiration from Gabor's attempts to improve the resolving power of electron microscopes by recording aberrated wavefronts at electron wavelengths, followed by aberration correction and playback at optical wavelengths. We extend the notion to scattered wavefronts, by interpreting the scattering of light as a source of randomized aberration. We compensate for these aberrations by mixing speckle fields recorded at two closely spaced optical wavelengths, and replaying the computationally assembled wavefront at a 'Synthetic Wavelength'. An attractive feature of our method is that it accommodates a wide variety of scattering mechanisms and operates at the physical limits of imaging in the presence of scatter. Moreover, our findings are applicable to other wave phenomena, opening up new avenues for imaging with scattered wavefronts.

연구 동기 및 목표

• 산란 매질로 인한 영상 품질 저하 문제를 해결하기 위해.
• 원래 전자현미경에 적용된 갈라르의 허브로그래픽 원리—파장 스케일링을 통한 적용—을 산란된 파면을 가진 광학 영상에 확장하기 위해.
• 산란이 존재하는 상황에서 영상의 물리적 한계에 도달하는 방법을 개발하기 위해.
• 광학 외에도 음향 및 고주파 전파와 같은 다양한 파동 현상에서 산란된 파면을 이용한 영상 재구성을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 산란 매질 뒤에 위치한 카메라를 사용하여 두 가까운 광학 파장에서 스펙클 강도 패턴을 기록한다.
• 두 스펙클 장 간의 강도 변동을 상호상관함으로써 스펙트럼 상관관계를 추출한다.
• 두 파장 간의 위상 차이를 이용하여 더 긴 효과적 파장을 가진 합성 파면을 컴퓨터적으로 재구성한다.
• 산란 매질이 유도한 무작위 위상 왜곡을 보정하기 위해 역산산란 알고리즘을 적용한다.
• 재구성된 파면을 합성 파장에서 재생함으로써 회절 한계 해상도를 달성한다.
• 근처 두 파장에서의 스펙클 패턴는 서로 중복된 위상 정보를 포함하고 있으며, 이는 고장수정에 활용될 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 가까운 파장에서 기록된 스펙클 패턴의 스펙트럼 상관관계를 이용하여 산란으로 인해 열악해진 간섭파면을 재구성할 수 있는가?
• RQ2 강한 산란 조건 하에서도 합성 파장 허브로그래피가 회절 한계에 가까운 영상 해상도를 복원할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 이 방법은 광학 외의 다양한 산란 메커니즘과 파동 유형으로 일반화될 수 있는가?
• RQ4 산란 매질의 전달 함수에 대한 사전 지식 없이 이 방법을 구현할 수 있는가?
• RQ5 합성 파장 재구성 기법을 사용할 때 도달 가능한 해상도와 신호 대 잡음비는 얼마인가?

주요 결과

• 이 방법은 산란이 강하고 복잡한 경우에도 회절 한계 해상도를 달성한다.
• 이론적 한계로 도출된 크래머-라오 하한을 통한 분석을 통해 물리적 영상 한계에 도달한다는 것이 확인되었다.
• 다양한 산란 메커니즘—확산 및 다중 산란 영역 포함—에 대해 영상 재구성이 강인하게 유지된다.
• 일반적인 파동 기반 수식에 기반하여 음향 및 고주파 전파와 같은 다양한 파동 현상에서 산란된 파면을 이용한 영상 재구성을 가능하게 한다.
• 두 광학 파장을 조합하여 합성 파장을 형성함으로써 더 긴 효과적 파장을 얻을 수 있으며, 이는 위상 안정성과 해상도 향상에 기여한다.
• 산란 매질의 전달 함수에 대한 지식이 필요 없기 때문에, 알려지지 않았거나 복잡한 산란 조건이 존재하는 실제 응용에 적용 가능하다.