KR20150054928A

KR20150054928A - 가보어 홀로그램 기록방법

Info

Publication number: KR20150054928A
Application number: KR1020157009025A
Authority: KR
Inventors: 프랭크 두보이스; 캐서린 유라쏘우스키
Original assignee: 유니베르시테 리브레 드 브룩크젤즈
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2015-05-20
Also published as: US20150248110A1; JP2015532979A; EP2893402A1; EP2893402B1; CN104937499A; WO2014037575A1; US9599959B2

Abstract

본 발명은 가보어 홀로그램을 기록하는 홀로그램 프로브 디바이스(13)에 연관되며, 상기 디바이스는:
후단부 및 전단부를 포함하는 코히런트 광섬유 다발;
상기 코히런트 광섬유 다발의 상기 후단부에 광학적으로 결합되는 기록 매체;
사용 시 상기 코히런트 광섬유 다발의 상기 후단부 및 관찰되는 상기 객체를 비추는 단일의 라이트 빔을 생성하는 광원
을 포함하는 디바이스.

Description

가보어 홀로그램 기록방법{METHOD FOR RECORDING GABOR HOLOGRAM}

본 발명은 가보어 홀로그램을 기록하는 장치 및 방법에 연관된다.

현미경 렌즈의 많은 개구 수와 높은 배율 때문에, 광학 현미경 관찰법은 종종 작은 초점 심도에 제한된다. 그러므로 초점 심도의 증가는 광학 현미경 관찰법에서 중요한 목표이다. 초점을 벗어난 객체의 재초점을 가능하게 하려는 시도는 상기 홀로그램이 CCD 카메라에 의해 기록되는 디지털 홀로그램 현미경관찰법(digital holography microscopy: DHM)에 기반한다. 상기 홀로그램 재건축 또는 재초점은 디지털의 계산에 의해 수행된다. 디지털 홀로그램 현미경관찰법은 양적 측면 대조 이미징(quantitative phase contrast imaging)과 객체의 면밀한 재초점 때문에 수많은 응용들과 함께 최근에 생긴 기술이다.

상기 홀로그램은 비산란선속(un-scattered beam)의 상기 객체 및 상기 참조파(reference beam)에 의해 산란되는 상기 광선의 상기 광학 간섭 패턴에 의해 얻어진다. 이러한 기록 형식을 구현하는 여러 방법이 있다

상기 객체와 참조파가 두 개의 다른 광학 경로로 나누어지는 상기 간섭 측정 설정이 존재한다. 상기 객체 빔(object beam)이 객체에 의해 산란되고 난 뒤, 상기 빔은 간섭하는 카메라 센서 상에 재결합된다.

디지털 홀로그램 프로세싱 덕분에, 그러한 설정들은 상기 재초점 및 상기 양적 측면 대조 이미징을 제공하고, 증가하는 수의 응용에 매치한다(match).

인라인 디지털 홀로그램 현미경 관찰법(in-line digital holographic microscopy)에서, 전송하는 상기 객체를 비추는 유일한 빔이 있다. 객체에 의한 상기 회절 빔(객체 빔)은 "생물학적 목적을 위한 멀티 컬러 디지털 홀로그램 현미경 관찰법(DHM)" Proc. Of SPIE Vol. 7568 75681P-1에서 Z. Gorocs et Al.과 같이 표현되는 기록 평면 (recording plane) 상에서 상기 주위의 비-회절 빔 (참조파)과 간섭한다. 이 과정은 상기 객체 사이의 렌즈 및 상기 기록 평면에 의해서 또는 이것들 없이도 인식될 수 있다.

상기 컴팩트함(compactness)이 중대한 점인 경우, 전송 조명과 함께, 상기 객체와 상기 센서 사이에 렌즈 없이, 그리고 Jorge Garcia-Sucerquia et Al. in APPLIED OPTICS 45, 836-850 (2006) or S. K. Jericho et al., in Rev. Sci. Instrum. 77, 043706; doi:10.1063/1.2193827 (2006)에 의해 예시로 기술되는 대로 분리되는 참조파 없이, 인라인 홀로그래피가 종종 사용된다. 도 1에서 도시된 이러한 설정으로, 상기 코히런트 조명 빔(the coherent illumination beam)이 상기 객체에 입사한다. 상기 객체에 의해 분산된 상기 빔의 상기 부분은 상기 비산란 조명 빔(the un-scattered illumination beam)과 간섭하는 상기 센서에 입사한다. 이것이 상기 고전적인 사진 건판이 컴퓨터에 의해 상기 홀로그램 복원을 수행하기 위해 카메라 센서에 의해 대체되는 기본적인 제1 가보어 설정이다(D. Gabor, Proc. Roy. Soc. Ser. A 197, 454 (1949)).

인라인 홀로그래피에서, 상기 기록되는 강도는 다음과 같이 표현된다.

(1)

(x,y)는 상기 감지기 상의 상기 공간 좌표이며, r(x,y)는 상기 참조파(상기 객체에 의한 상기 비회절 빔)이며, o(x,y)는 상기 객체 빔(상기 객체에 의해 산란되는 빔). 단순하게 하기 위하여, 우리는 방정식(1)의 우변의 상기 공간적 의존성(x,y)을 생략하였다. 상기 객체 크기는 상기 센서의 상기 거리에 대하여 작은 것을 고려할 때,

는 무시될 수 있다.

상기 참조 부호

의 상기 강도는 한번 기록될 수 있고 방정식(1)에서 제거될 수 있다. 다음과 같은 결과가 남는다.

(2)

아래에서는, 우리는

의 상기 억제(suppression)은 항상 수행된다는 것으로 가정할 것이다.

방정식(2)는 상기 기록되는 홀로그램을 서술한다. 만약 우리가 상기 참조부호가 상기 센서에 수직으로 전파하는 평면파를 가정한다면, 우리는

을 얻는데, A는 상수이다. d 포커스 거리에서 기록된 상기 객체의 상기 재초점은 i' 상의 거리 -d에서 상기 키르히호프-프레스넬(Kirchoff-Fresnel: KF) 전파를 적용함에 의해 얻어진다. 우리는 이 작업을

라고 말한다. i'가 상기 객체 진폭 및 켤레 복소수의 덧셈으로 여겨지므로, 상기 KF 전파의 상기 적용은 상기 이중 상이라고 불리는 두 번째 항과 상기 재초점된 객체의 덧셈을 일으킨다.

인라인 홀로그래피는 간섭 측정 구현에 대하여 두 가지의 결점을 겪는데, 이는:

- 재초점되는 객체를 수반하는 상기 이중상의 존재.

- 기본적으로 기록되는 정보의 상기 양(amount)을 급격히 감소시키는 상기 간섭 측정 구현에 대하여 간단한 기록되는 광학 위상 정보(straightforward recorded optical phase information)가 없음.

하지만, 상기 광학 위상 정보는 DHM의 상기 양적 측면 대조 이미징 능력에 직접적으로 연결되며 상기 샘플의 상기 광학적 두께(생세포…)를 측정하는 수많은 응용에 있어 매우 중요하다. 상기 이중 상은 상기 광학 위상 정보가 상기 기록 평면에서 알려지지 않는다는 사실에서 비롯된다는 것은 주목되어야 한다. 상기 측면 정보를 얻는 방법이 있다면, 상기 인라인 홀로그래피에 의해 얻어진 상기 강도 정보와 결합될 수 있다. 그러면 상기 이중 상은 상기 디지털 홀로그램 재초점 동안에 제거된다.

상기 홀로그램의 섬유를 통한 전송은 특허문헌 JP60/042178A으로부터 알려져 있지만, 상기 제안되는 단계에서는, 유일한 섬유는 상기 복잡성 및 시스템의 크기를 증가시키면서 상기 섬유의 양 끝에서 동시에 스캔된다. 이 문서에서 상기 홀로그램은 상기 전단부에서 복원된다. 이러한 디바이스는 또한 움직이는 객체는 상기 제한된 스캔 속도 때문에 이미지화 될 수 없다는 상기 결점을 나타낸다.

"랩 온 칩스" 디바이스와 같이 줄어든 사이즈의 실험 디바이스 상에서 측정을 수행 가능하도록 하기 위한 수요가 증가하고 있기 때문에 소형화는 중요한 주제이다. 상기 실험 과정을 방해하지 않는 "제 자리에" 측정 조사("in situ" measurement probes)를 구현 가능하게 하려는 필요가 있다.

본 발명은 인라인 홀로그래피의 소형화를 더 증가시키고 특히 상기 광학 위상 정보의 회수에 대해 상기 디지털 홀로그램 프로세스를 더욱 개선시키는 상기 획득된 컴팩트함의 이득을 취하기 위한 것이다.

본 발명은 가보어 홀로그램을 기록하는 홀로그램 조사 디바이스에 있어서, 상기 디바이스는:

- 전단부 및 후단부를 포함하는 코히런트 광섬유 다발

- 상기 코히런트 광섬유 다발의 상기 전단부에 광학적으로 결합된 기록 매체

- 사용 시 상기 코히런트 광섬유 다발의 상기 후단부 및 관찰되는 상기 객체를 비추는 단일의 라이트 빔을 생성하는 광원을 포함한다.

가급적이면, 상기 광원은 LED, 레이저, 및 가스 방전관을 포함하는 상기 그룹으로부터 선택된다.

유리하게, 상기 광원은 상기 빔을 형성하고 상기 광원으로부터의 상기 광선을 인도하는 광학 섬유를 포함하는 상기 광원을 포함한다.

가급적이면, 상기 기록매체는 CMOS 또는 CCD 이미지 센서이다.

유리하게, 상기 기록 매체는 상기 기록 매체에 상기 코히런트 광섬유 다발의 상기 전단부의 이미지를 형성하는 렌즈를 이용하여 또는 직접적인 접촉에 의하여 상기 코히런트 광섬유 다발의 상기 전단부에 광학적으로 결합된다.

본 발명의 다른 측면은 다른 각도에서 상기 동일한 객체의 복수 개의 홀로그램을 동시에 기록하는 복수 개의 홀로그램 조사 디바이스를 포함하는 광학 디바이스에 관련된다.

가급적이면, 본 발명에 따른 상기 최소 두 개(the least two)의 홀로그램 조사 디바이스는 서로 수직하게 그들의 후단부(전단 기록 평면)와 함께 배치된다.

유리하게, 본 발명에 따른 두 개의 홀로그램 조사 디바이스의 상기 후단부는 반대 방향의 동일한 광학 축에 있다(평행한 전단 기록 평면 또는 후단부).

가급적이면, 각각의 홀로그램 조사 디바이스각각의 코히런트 광섬유 다발의 상기 전단부는 상기 반대의홀로그램 기록 디바이스의 상기 광원에 광학적으로 결합된다.

본 발명의 이점은 상기 객체와 (하나의) 렌즈 없는 홀로그램(들)을 형성하는 상기 섬유 다발(들)의 상기 후단부(들) 사이에 렌즈가 필요하지 않다는 것이다.

본 발명의 세 번째 측면은 가보어 홀로그램을 기록하는 방법으로서, 상기 방법은:

- 후단부 및 전단부를 포함하는 코히런트 광섬유 다발을 제공하는 단계 - 상기 전단부는 기록 매체에 광학적으로 결합됨 -;

- 단일한 최소한 부분적으로 코히런트한 단일한 라이트 빔을 이용하여 상기 코히런트 광섬유 다발의 상기 후단부 및 관찰되는 객체를 비추는, 그렇게 함으로써 상기 코히런트 다발의 상기 후단부 상의 가보어 홀로그램을 생산하는 단계.

- 상기 평면 기록 매체 상에 상기 코히런트 광섬유 다발을 통하여 전송된 상기 가보어 홀로그램을 기록하는 단계를 포함한다.

가급적이면, 복수 개의 가보어 홀로그램은 분리된 코히런트 광섬유 다발을 각각 비추는 복수 개의 라이트 빔을 이용하여 기록된다.

도 1은 인라인 홀로그램 기록 설정을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 가보어 홀로그램을 기록하는 인라인 홀로그램 조사 디바이스의 예시를 나타낸다.
도 3은 본 발명에서 사용될 수 있는 조명 스킴(illumination scheme)의 예시를 나타낸다.
도 4는 본 발명에서 사용될 수 있는 조명 스킴(illumination scheme)의 예시를 나타낸다.
도 5는 코히런트 광섬유 다발의 전단부에서의 기록 스킴의 예시를 나타낸다.
도 6은 상기 말단 기록 평면이 서로 수직인 본 발명에 따른 복수 개의 홀로그램 조사 디바이스를 포함하는 광학 디바이스의 예시를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 상기 말단 기록 평면이 서로 나란히 평행한 복수 개의 홀로그램 조사 디바이스를 포함하는 광학 디바이스의 예시를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 서로 반대 방향의(마주 보는) 상기 말단 기록 평면이 서로 수직인 복수 개의 홀로그램 조사 디바이스를 포함하는 광학 디바이스의 예시를 나타낸다.
도 9는 서로 다른 파장으로, 상기 같은 섬유 다발을 비추는 복수 개의 광원을 포함하는 광학 디바이스의 예시를 나타낸다.

상기 기본적인 개념은 코히런트 광섬유 다발 또는, 인라인 디지털 홀로그램을 기록하며 이미지 도관(image conduit)이라고도 불리는 엔도스코프(6)를 이용하는 것을 포함한다. 코히런트 광섬유 다발(6)은 상기 다발의 한 쪽에 형성된 상기 이미지(상기 다발의 후단부의 입력 평면(1))가 상기 광섬유 다발의 상기 다른 쪽(상기 다발의 전단부의 출력 평면)으로 전송되고 2D 전자 센서 7(카메라)에 의해 기록되는 상기 관찰이 가능한 것과 같은 방법으로 구성된다.

몇몇의 해상도에 대한 제약에 의해, 상기 이미지 도관의 상기 입력 평면(1)에서의 상기 광 강도 분산(the light intensity distribution)은 상기 센서(7)에 대해 위로 전송되므로, 우리는 이 광 분산 또한 상기 기록되는 것이라고 생각할 것이다.

광섬유 엔도스코프(6) 또는 이미지 인라인 렌즈 없는 홀로그램을 기록하는 상기 최초의 설정이 상기 도 2에 나타난다.

상기 객체 2(예를 들어 입자의 3D 분산)는 레이저 또는 발광 다이오드 조명(Light Emitting Diode illumination)에 의해 생성될 수 있는 방향 광학 빔(5, directional optical beam)에 의해 비춰진다. 상기 객체(2)는 상기 회절되는 패턴이 상기 광섬유 엔도스코프(6)의 상기 입력 윈도우(1)에서 상기 회절되지 않는 조명 빔과 간섭하는 방법으로 상기 조명 빔(5)을 회절시킨다.

공간 강도 분산(spatial intensity distribution)의 결과를 낳는 상기 간섭 패턴은 상기 강도 분산을 기록하는 2차원 센서(7)에 의해 감지되는 상기 출력 공간에서 전송된다. 이러한 기록되는 광 강도 분산은 3D 이미징을 위한 인라인 홀로그래피의 보통의 프로세싱에 의해 다뤄질 수 있다. 렌즈와 같이 축소된 광학 시스템은 또한 상기 실험 용량의 상기 확대를 조정하기 위해 상기 광섬유 엔도스코프의 상기 입력 평면의 앞에 놓여질 수 있다는 것에 주목하라. 하지만 그러한 경우에서, 상기 간섭 무늬를 관찰하기 위해서, 상기 객체(2)는 상기 입력 평면(1)에 관하여 초점을 벗어나 있어야 한다.

상기 코히런트 광섬유 다발(6)의 상기 강도 분산 기록이 다른 광학 설정에 닿는 것이 어려운 위치에서 매우 간단한 방법으로 가능하다는 것이 관찰되어야 한다. 이러한 방식으로, 상기 광섬유 엔도스코프(6)의 상기 입력 윈도우(1)를 이미지 센서와 직접적으로 수행하는 것이 복잡한 미세유체소자(microfluidic device)의 유체에 접촉하도록 직접적으로 놓는 것이 가능하다.

개인적인 상기 코히런트 광섬유 다발(6) 또는 이미지 도관은 광섬유 각각이 수 마이크로미터인데 반하여 수 밀리미터의 전형적인 윈도우의 폭을 가지고 있다. 보통 50,000개의 광섬유를 가지는 이미지 도관은 상업적으로 이용이 가능하다. 그것은 제한된 해상도를 제시하지만, 개선될 수 있는 개발 아래에 있는 기술이다.

도3 및 도 4에 각각 나타난 대로, 상기 조명은 콜리메이트 또는 분기 빔(5, collimated or diverging beam)에 의해 획득될 수 있다. 가급적이면, 상기 광속은 상기 기록되는 간섭 패턴이 흐릿해지는 것을 방지하기 위해 훌륭한 공간 일관성을 나타낸다.

공간적으로 일관성이 없는 근원(source)에서, 상기 공간 일관성의 특성은 도 3에서 나타나는 대로 상기 근원(8)의 지름 s의 조건에 의해 표현된다. 평행하게 된 설정에서, 상기 기록되는 평면(1, 상기 이미지 도관의 입력 윈도우)에 대하여 d의 거리에서 초점이 벗어나 있는 점의 복원(reconstruction)을 고려해보자. 우리는

을 갖는데, f는 상기 렌즈의 상기 초점거리(9)이고,

는 상기 근원의 상기 지름에 의해 특별히 생성되는 점상 강도 분포 함수(point spread function)의 상기 너비이다.

비슷하게, 분기 빔에서는, 우리는

을 갖는데, L은 상기 근원(8)과 상기 기록 평면(1)과의 거리이다. 실제 상황에서, 상기 s의 보통의 크기는 수백 마이크로 미터이다. 그러므로, 복원의 상기 깊이에 의존하여, 완전한 코히런트 조명이 사용될 수 있음에도 불구하고 완전한 공간적 코히어런스 조명(full spatial coherence illumination)을 갖는 것은 필요하지 않다.

상기 시간적 일관성에 대한 상기 제약은 분산되는 상기 기록 평면(1)으로부터 거리 d만큼 떨어진 곳에 위치한 객체(2)를 고려하는 것에 의해 추정된다. 상기 섬유의 개구 수는 NA라고 가정하면, 상기 최대 광로차는 상기 코히어런스 길이가

로 표현되도록 작아져야 하는

로 나타내질 수 있다. 이는

에 보통 일치하는

라는 결과를 낳는다. 이 스펙트럼 폭은 간섭 필터에 의해 궁극적으로(eventually) 여과되는 상기 발광 다이오드의 그것과 호환 가능하다.

이것은 작은 개구에 의해 여과된 발광 다이오드(LED)이 편리하다는 결과를 낳는다. 감소된 시간적 코히어런스의 것이 될 수 있는 레이저 광선으로도 수행하는 것이 가능하다. 유리하게, 조밀한 조명 스킴(compact illumination scheme)은 레이저 또는 LED에 광학적으로 결합된 광학 섬유와 함께 상기 샘플을 조명하는 것을 포함한다.

상기 이미지 도관(6)에 의해 전송되는 빛 분산은 상기 센서(7)에 의해 기록되는 평면의 상기 출력 쪽에 닿고 있다. 이 결합은 도 5에서 나타난 대로 상기 출력 평면을 상기 센서에 매우 가깝게 놓거나 몇몇의 이미징 렌즈(12)를 더하는 것에 의해 실현될 수 있다.

본 발명의 중대한 이점은 몇몇 디바이스가 상기 동일한 실험 용량의 다수의 측정을 수행하도록 유리하게 구현될 수 있다는 점에서의 컴팩트함(compactness)에 존재한다. 아래 예시에서, 우리는 위에서 기술된 각각의 시스템을 "기본 디바이스"(13) 또는 홀로그램 조사 디바이스(13) 또는 단순히 조사(13)이라고 부를 것이다. 기본 디바이스(13)을 결합하는 몇몇의 재미있는 설정이 있다.

복수 개의 기본 디바이스(13)가 사용되는 경우, 하나의 기본 디바이스(13)으로부터의 상기 빛의 상기 객체(2)로의 분산으로부터 유래되는 상기 빛은, 각각의 센서의 상기 지장 없는 파장 범위를 유지하기 위해 상기 센서 앞에 위치한 배러 필터(barer filter)와 조합된 상기 다른 기본 디바이스에 대한 다른 파장의 상용에 따라, 편광자 및/또는 파장 판의 적절한 조합에 의해 또는 일시적으로 분리된 광 파장을 사용함으로써 상기 다른 기본 디바이스(13) 조명에서 나올 수 있다.

도 6은 수직적 관점 방향(perpendicular viewing direction)에 놓여진 두 개의 기본 디바이스(13)의 구현을 나타낸다.

두 개의 기본 디바이스에 의한 이 설정은 3D 벨로시메트리(3D velocymetry)와 같은 3D측정을 응용하는 분야에서 높은 잠재력을 가지고 있다. 정말로, 수행되는 3D velocymetry 디지털 홀로그래피가 사용될 때, 상기 횡단 방향의 상기 해상도보다 낮은 상기 광학 축에 관한 해상도와 관련한 문제점이 있다. 양 방향에서 상기 홀로그램을 조합함으로써, 상기 목적된 설정은 어느 방향에서도 가장 높은 해상도를 제공함으로써 이러한 한계를 극복한다. 상기 기본 디바이스(13)의 컴팩트함 때문에, 상기 측정의 정확성을 높이기 위해 기본 디바이스의 상기 수를 늘리는 것이 가능하다.

유리하게, 상기 둘, 또는 상기 다수의 섬유 엔도스코프(6)은 단일 카메라에 연결될 수 있다.

여러 기본 디바이스(13)는 상기 개구 수의 효율적인 증가에 의해 상기 시야 및 상기 해상도를 증가시키기 위해서 나란히 놓일 수 있다. 각각 기록된 이미지는 큰 유일한 홀로그램에 결합된다. 상기 기록 설정은 도 7에서 나타난다.

상기 이미지 도관(6)은 동일한 센서나 다른 센서에 연결될 수 있다.

상기 기본 디바이스(13)의 컴팩트함 덕분에, 도 8에서 나타난 대로 두 개의 반대되는 기본 디바이스로 실험 용량을 관찰하는 것 또한 가능하다.

상기 반대되는 기본 디바이스 설정에서, 반대 방향으로 기록된 상기 샘플의 두 개의 인라인 홀로그램은 두 개의 기본 디바이스로 기록된다. 상기 첫 번째 기본 디바이스에 의해 기록되는 상기 홀로그램의 상기 조명(도 8에서 구성요소 101, 107, 112, 114, 116, 108, 110을 포함)은 상기 두 번째 기본 디바이스의 상기 이미지 도관(206)의 상기 출력 평면에 초점이 맞춰진 작은 크기의 근원(108)로 실현된다. 상기 출력 평면에 위로 상기 빛을 전송하는 상기 이미지 도관의 광섬유는 거의 없다. 상기 빛은 상기 두 번째 기본 디바이스의 상기 입력 평면(201)을 분기 빔으로서 밖으로 나오고, 상기 객체(2) 또는 상기 샘플을 비춘다.

상기 객체의 첫 번째 홀로그램은 상기 이미지 도관(106)의 상기 기록 평면(101)에 닿고 있으며 상기 센서(107)로 전송되고 있다. 그 대신에, 다른 조명 스킴은 광섬유에 의한 외부 조명과 같은 추가에 의해 달성될 수 있다.

상기 대칭의 설정은 상기 센서(207)에 의해 두 번째 홀로그램을 기록하는 것을 가능하게 한다. 만약 필요하다면, 상기 첫 번째(두 번째) 이미지 도관 106(206)의 상기 입력 평면101(201)으로의 상기 두 번째(첫 번째) 광원208(108)에 의한 상기 객체(2)의 상기 조명의 상기 뒷면 반사와 전송되는 센서101(201)은 센서(107, 207) 각각에 지장 없는 파장 범위를 유지하기 위하여 상기 센서(107, 207)의 앞에 위치하는 배러 필터(barer filter)와 조합되는 상기 첫 번째 및 두 번째 광원(108, 208)을 위한 상기 다른 파장의 사용에 따라 편광자 및/또는 파장판의 적절한 조합에 의해 제거될 수 있다.

도 8의 설정은 상기 샘플에 연관되는 상기 광학 위상의 복구를 가능하게 한다. 상기 보통의 인라인 홀로그램 스킴에 관하여 중대한 개선이다.

복잡한 투과율 t의 객체가 상기 이미지 도관(1)의 상기 기록 평면으로부터 d1만큼 떨어진 곳에 놓여있다고 가정하자. 상기 이미지 도관의 상기 두 기록 평면(101, 201)은 거리 d만큼 떨어져있다. 단순성을 위해, 상기 두 광원(108, 208) 모두의 상기 파장이 동일하다고 가정한다. 두 개의 다른 파장의 상기 일반화는 다음과 같이 나타난 대로 간단하다.

상기 분포 진폭 i1과 i2에 각각 나타날 수 있고, 상기 이미지 도관(106, 206)의 상기 입력 평면은 다음과 같이 표현될 수 있다.

(3)

조셉 샤미르에 의한 "광학 시스템 및 프로세스", SPIE PRESS 1999에서 정의된 상기 연산자 대수를 사용하는 곳에서, 우리는 상기 측정값(reading)을 단순화하기 위해 상기 공간 의존성을 표시하는 것을 생략했다. 어깨글자 *는 상기 켤레 복소수 연산을 의미한다.

우리는 다음을 가지고 있다.

에 의해 정의된 상기 이차 위상 요소로서, k는

및

에 의해 상기 파장의 역수로 정의된다.

는

에 의해 정의되는 스케일링 오퍼레이터이다.

로서,

에 의해 정의된

는 푸리에 변환 연산이다.

상기 스케일링 오퍼레이터

와

를 i ₁및 i ₂에 각각 적용함으로써,

인 경우

(4)

을 얻는다.

상기 방정식(4)의 상기 실수부와 허수부를 분해함으로써, d1과 d2의 적절한 선택으로 풀 수 있는 방정식의 시스템을 얻을 수 있다. 그러므로 U'는 결정되고 스케일링(scaling), 푸리에 변환 연산, 그리고 이차 위상 요소에 의한 상기 곱셈에 의해 t의 상기 실수부 및 허수부로 돌아갈 수 있다. t의 상기 광학 위상은

를 계산함에 의해서 얻어진다.이미지 도관으로의 상기 홀로그램 기록은 여러 비연속의 파장에서, 그리고 특별히 빨강, 초록 그리고 파란색의 파장에서(또는 청록, 자홍, 노랑 또는 어떠한 적절한 파장의 조합이라도) 유리하게 수행될 수 있다. 상기 기록 평면에 대해 거리 d만큼 떨어져 있는 객체가 2 파장의 콜리메이트 빔에 의해 비춰진다고 가정한다. 분기 빔에 의한 상기 조명은 상기 다음과 같은 유도를 조금 바꾸지만 상기 원칙을 수정하지는 않는다.

단순하게 하기 위하여, 상기 객체는 빨간색 빔(630nm)과 초록색 빔(530nm)에 의해 조명된다고 가정한다.

상기 2 파장 빛 분포는 상기 센서에 의해 따로 기록된다. 상기 인라인 홀로그래피 표현을 이용하여, 상기 다음과 같은 두 개의 홀로그램 신호를 얻는다:

(5)

과

는 파장

과

에서의 상기 키르히호프-프레스넬 전파에 의해서 상기 객체 평면으로부터 상기 기록평면으로 전파된 상기 객체 t의 상기 복소 진폭이다.

상기 이전의 표기법을 이용하여, 다음과 같이 표현될 수 있다:

(6)

n=1, 2.

상기 파장

에서의 상기 분산 패턴은 거리

에서 파장

에서 얻어진 것으로 대체적으로 보일 수 있다. 그러므로, 방정식(5)의 상기 홀로그램 신호는 단일 파장

로부터 얻어졌지만 d 과 d' 의 두 전파 거리에서 얻어진 것으로 볼 수 있다. 이러한 사실 및 방정식 (5), (6)을 이용하면 다음과 같이 다시 쓰여질 수 있다.

(7)

실수부와 허수부로 나누면,

이 된다. 다음을 얻기 위해 상기 두 개의 방정식(7)의 상기 푸리에 변환을 계산한다.

(8)

과

는

과

의 상기 푸리에 변환이다. 상기 방정식(8)은, (u, v)가 상기 공간 주파수인 경우,

에 따라 풀기 쉬운 미지의

과

를 가지고 두 방정식의 집합을 구성한다.

이고 (u, v)=(0, 0)일 때 상기 수량 q=0이다. 상기 시야에서 상수 값에 대응하는 상기 첫 번째 특이성은 중요하지 않고, 상기 두 번째 특이성은 3파장 조명을 이용함으로써 제거될 수 있다.

그러므로 T=T _r +jT _j 의 상기 역 푸리에 변환을 함으로써, 상기 객체의 상기 광학 위상을 제공하는 상기 복소 진폭 t를 얻을 수 있다.

샘플의 상기 광학 위상의 상기 다방면 측정은 상기 광학 위상 정보의 상기3D 측정을 측정하는 도구를 제공한다. 광학적 재구성법이라고 불린다. 샘플의 다수의 측정을 수행하는 상기 다수의 파장 접근은 다음과 같은 측정을 가능하게 한다.

공간적으로 분리된 조명

유리하게, 다른 파장을 가지는 여러 광학적 근원은 다른 방향의 상기 샘플을 조명한다. 상기 도 9에 나타난다.

도 9에서, 여러 점 같은 근원은 렌즈의 초점 면 앞의 다른 위치에 놓여진다. 상기 렌즈를 통한 전파 후, 각각의 근원은 전파 방향대로 콜리메이트 빔이 생기게 한다.

상기 여러 콜리메이트 빔은 상기 렌즈와 상기 이미지 도관의 상기 입력 평면 사이에 상기 객체를 비춘다. 상기 객체에 의해 분산된 각각의 조명 빔은 상기 이미지 도관의 상기 입력 평면에서 공간적으로 이동된 회절을 생기게 할 것이다. 상기 다른 근원의 상기 파장 대역폭은 상기 센서에 의해 감지되는 경우 기여(contribution)을 분리시키는 것을 가능하게 하는 방법으로 선택된다. 상기 기록되는 분산 패턴 사이에 이동이 있기 때문에, 상기 디지털 홀로그램 재초점은 상기 객체의 공간적으로 분리된 복원된 이미지를 제공한다. 상기 총 분리(the separation amount)는 직접적으로 상기 센서와 상기 객체 사이의 거리에 비례한다. 이는 상기 분리가 상기 객체와 상기 센서 사이의 상기 거리를 측정하는 데 사용될 수 있다는 결과를 낳는다. 이러한 측정 능력은 상기 유일한 디지털 홀로그램 재초점에 의해 얻어지는 상기 정확성을 향상시킨다.

이러한 타입의 복수파동원(multisource) 조명은 상기 구체의 조명의 상기 경우에서도 사용될 수 있다. 이는 기술되는 상기 멀티-이미지 도관 설정과 결합될 수도 있다.

1, 101, 201: 전단 기록 평면 (상기 섬유 다발의 후단부)
2: 객체
3: 분산된 빛
4: 간섭
5: 들어오는 라이트 빔
6, 106, 206: 코히런트 광섬유 다발(엔도스코프 또는 빛 도관)
7, 107, 207: 기록 매체
8, 108, 208: 광원
9: 초점 거리
10: 광원 렌즈
11: L: 상기 섬유 다발의 후단부로부터 상기 광원으로의 거리
12: 기록 렌즈
13: 홀로그램 조사 디바이스
114, 214: 빔 스플리터
s1-3: 특정한 파장 대역폭을 갖는 점 같은 근원
f: 상기 콜리메이트 렌즈의 초점 거리
Dp1-3: 상기 근원 s1-s3에 의해 각각 생성된 상기 회절 패턴의 확대

Claims

가보어 홀로그램을 기록하는 홀로그램 프로브 디바이스(13)에 있어서, 상기 디바이스는:
후단부(1, 101, 201) 및 전단부를 포함하는 코히런트 광섬유 다발(6, 106, 206);
상기 코히런트 광섬유 다발(6, 106, 206)의 상기 전단부에 광학적으로 결합되는 기록 매체(7, 107, 207);
사용 시 상기 코히런트 광섬유 다발(6, 106, 206)의 상기 후단부(1, 101, 201) 및 관찰되는 상기 객체(2)를 비추는 단일의 라이트 빔(5)을 생성하는 광원(8, 108, 208)
을 포함하는 디바이스(13).
제1항에 있어서,
상기 광원(8, 108, 208)은 LED, 레이저, 및 가스 방전관을 포함하는 상기 그룹으로부터 선택되는 디바이스(13).
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광원(8, 108, 208)은 상기 광원으로부터의 상기 라이트를 가이드하고 상기 빔(5)을 형성하는 광 섬유를 포함하는 디바이스.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기록 매체(7, 107, 207)는 CMOS 또는 CCD 이미지 센서인 디바이스.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기록 매체(7, 107, 207)는 상기 코히런트 광섬유 다발(6, 106, 206)의 상기 전단부의 이미지를 상기 기록 매체(7, 107, 207)에 형성하는 렌즈(2, 112, 212)를 이용하여 또는 직접적인 접촉에 의하여 상기 코히런트 광학 섬유 다발의 상기 전단부에 광학적으로 결합되는 디바이스.
선행하는 청구항들에 따른 홀로그램 프로브 디바이스 복수 개를 포함하여 다른 각도에서 상기 동일한 객체의 복수 개의 홀로그램을 동시에 기록하는 광학 디바이스.
제6항에 있어서,
상기 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 적어도 두 개의 홀로그램 프로브 디바이스는 후단부(1)가 서로 수직으로 배치되는 디바이스.
제6항에 있어서,
상기 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 두 개의 홀로그램 프로브 디바이스의 상기 후단부들은 동일한 축상에서 서로 반대 방향으로 배치되는 디바이스.
제8항에 있어서,
각각의 홀로그램 프로브 디바이스의 각각의 코히런트 광섬유 다발의 상기 전단부는 상기 반대의 홀로그램 기록 디바이스의 상기 광원에 광학적으로 결합되는 디바이스.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 객체 및 상기 섬유 다발(들)의 상기 후단부(들) 사이에 렌즈가 없어 (하나의) 렌즈들 없는 홀로그램(들)을 형성하는 디바이스.
가보어 홀로그램을 기록하는 방법으로서, 상기 방법은:
후단부(1, 101, 201) 및 전단부를 포함하는 코히런트 광섬유 다발(6, 106, 206)을 제공하는 단계 - 상기 전단부는 기록 매체(7, 107, 207)에 광학적으로 결합됨 -;
단일한 최소한 부분적으로 코히런트한 라이트 빔(5)을 이용하여 상기 코히런트 광섬유 다발(6, 106, 206)의 상기 후단부(1, 101, 201) 및 관찰되는 객체(2)를 비추는 단계, 그렇게 함으로써 상기 코히런트 광섬유 다발의 상기 후단부(1, 101, 201) 상의 가보어 홀로그램을 생산하는 단계;
상기 평면 기록 매체 상에 상기 코히런트 광섬유 다발(6, 106, 206)을 통하여 전송된 상기 가보어 홀로그램을 기록하는 단계
를 포함하는 방법.
제11 항에 있어서, 복수의 가보어 홀로그램은 분리된 코히런트 광섬유 다발(6, 106, 206)을 각각 비추는 복수의 라이트 빔(5)을 이용하여 기록되는 방법.