[논문 리뷰] Single-shot Fresnel incoherent digital holography based on geometric phase lens

Dong Liang, Qiu Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 16.

Digital Holography and Microscopy참고 문헌 3인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 기하학적 위상 렌즈를 사용하여 단일 촬영, 인라인 프리즈마 비균일 디지털 홀로그래피 시스템을 제안함으로써, 다수의 노출이 필요하지 않고도 컴act하고 3차원 영상 촬영이 가능한 시스템을 구현한다. 기하학적 위상 렌즈의 위상 분리 특성과 편광 영상 카메라를 이용한 병렬 위상 이동 및 공간 분할 multiplexing을 조합함으로써, 단일 촬영에서 실시간으로 비균일 홀로그래픽 재구성된 3차원 물체 영상 촬영이 가능하며, 시험용 차트를 이용한 실험적으로 검증됨.

ABSTRACT

Single-shot and incoherent imaging are two important properties for digital holography technique to extend its application range. In this paper, a simple and compact in-line Fresnel incoherent digital holographic recording system with capability of single-shot and three-dimensional imaging is proposed. A GP lens is used as the common-path interferometer based on its special wave separation property. Parallel phase-shifting holography is used to achieve single-shot operation by using a polarization imaging camera together with space-division multiplexing. The capability of the proposed technique and the setup was experimentally confirmed by images of two standard test charts.

연구 동기 및 목표

• 비균일 조명 조건에서 다수의 노출 없이도 단일 촬영으로 3차원 영상 촬영이 가능한 컴 pact한 디지털 홀로그래피 시스템을 개발하는 것.
• 기존 디지털 홀로그래피 기술의 다수의 노출 또는 비균일한 빛원천이 필요로 하는 한계를 극복하는 것.
• 기하학적 위상 렌즈를 공통 경로 간섭계로 통합하여 안정적인 위상 분리 및 안정성을 확보하는 것.
• 편광 영상 카메라와 공간 분할 multiplexing을 활용하여 단일 촬영 조건에서 병렬 위상 이동을 실현하는 것.
• 비균일 조명 조건에서 표준 시험 차트의 실험적 영상 촬영을 통해 시스템 성능을 검증하는 것.

제안 방법

• 기하학적 위상 렌즈는 고유한 파면 분리 특성을 지녀 안정적이고 컴 pact한 간섭계 구성을 가능하게 하며, 이를 공통 경로 간섭계로 활용한다.
• 시스템은 단일 노출로 비균일 조명 조건에서 3차원 물체의 홀로그램을 기록하기 위해 인라인 프리즈마 기하학을 사용한다.
• 병렬 위상 이동은 수직 편광 상태를 이용해 동시에 여러 위상 이동된 홀로그램을 촬영하는 편광 영상 카메라를 통해 실현된다.
• 공간 분할 multiplexing은 동일한 이미지 프레임 내에서 위상 이동된 홀로그램을 공간적으로 분리하는 데 적용된다.
• 기록된 홀로그램은 표준 디지털 홀로그래피 재구성 알고리즘을 사용하여 물체의 복소 진폭 분포를 복원한다.
• 전체 시스템은 단순성과 컴 pact함을 고려하여 설계되어, 정렬 민감도와 환경 노이즈를 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기하학적 위상 렌즈를 사용하여 비균일 조명 조건에서 단일 촬영 디지털 홀로그래피 시스템을 실현할 수 있는가?
• RQ2 다수의 노출 없이 단일 촬영 구성에서 병렬 위상 이동을 효과적으로 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ3 기하학적 위상 렌즈는 비균일 홀로그래피를 위한 안정적인 공통 경로 간섭계를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 제안된 시스템은 비균일 조명 조건에서 얼마나 높은 3차원 영상 촬영 능력을 유지하는가?
• RQ5 편광 영상 카메라와 공간 분할 multiplexing의 조합은 효율적인 단일 촬영 홀로그래픽 재구성에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 기하학적 위상 렌즈를 핵심 간섭계 요소로 사용하여 비균일 조명 조건에서 3차원 물체의 단일 촬영 홀로그램을 성공적으로 기록하였다.
• 편광 영상 카메라를 통해 다수의 위상 이동된 홀로그램을 동시에 촬영함으로써 기계적 또는 시간적 위상 이동이 필요 없어졌다.
• 공간 분할 multiplexing을 활용함으로써 동일한 이미지 프레임 내에서 위상 이동된 홀로그램을 효율적으로 공간적으로 분리할 수 있었다.
• 실험 결과, 두 개의 표준 시험 차트에 대한 성공적인 재구성 영상이 도출되어 시스템의 3차원 영상 촬영 능력이 확인되었다.
• 시스템은 비균일 빛원천이나 다수의 노출 없이도 안정적이고 컴 pact하며 실시간 홀로그래픽 영상 촬영을 실현하였다.