KR20210044208A - 이종 매체의 비침습적 광학 특성화를 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이종 매체의 비침습적 광학 특성화를 위한 방법에 관한 것으로, 일련의 입사 광파들에 의해, 현미경의 렌즈(30)의 초점면에 위치한, 상기 이종 매체의 소정의 시야를 조명하는 단계; 상기 초점면(FP)의 컨쥬게이트(conjugate) 평면과 관찰 평면 사이에 정의된 관찰 베이스에서 제1 왜곡 행렬(D _ur , D _rr )을 결정하는 단계- 상기 제1 왜곡 행렬은 상기 초점면의 컨쥬게이트 평면과 수차 보정 평면 사이에 정의된 보정 베이스에서, 상기 보정 베이스에서, 모델 매체에 대해 정의된, 참조 반사 행렬의 상기 위상 컨쥬게이트 행렬을 사용하여, 상기 보정 베이스에서 결정된, 상기 시야의 제1 반사 행렬(R _ur )의 텀-바이-텀 행렬 곱(term-by-term matrix product)에 대응함 -; 및상기 제1 왜곡 행렬에 기초하여, 상기 이종 매체의 물리적 파라미터의 적어도 하나의 매핑을 결정하는 단계를 포함한다.

Description

이종 매체의 비침습적 광학 특성화를 위한 방법 및 시스템

본 개시는 이종 매체, 특히 생물학적 매체의 비침습적 광학 특성화를 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

광학 이미징 시스템의 해상도는 객체의 작은 세부 사항들을 식별하는 능력과 관련이 있다. 완벽한 광학 시스템에서, 해상도는 절대적인 방식으로 회절에 의해 λ/2(여기서, λ는 사용된 파장)로 제한되며, 보다 일반적으로 광선들의 최대 수집 각도(즉, 개구수)에 의해 제한된다. 안경에서 현미경과 망원경에 이르기까지, 수 세기에 걸친 연마 기술, 미러 및 비구면 렌즈의 디자인은 이제 회절의 한계에서 작동하는 광학 시스템을 제조하는 방법을 알고 있음을 의미한다. 그러나, 광학 이미징 시스템과 이미징될 평면 사이의 전파 매체는 항상 균질하지는 않으며, 이미지의 품질을 심각하게 저하시킬 수 있는 수차들을 도입할 수 있다.

이미지의 품질을 개선하기 위해, 천문학자들은 이러한 수차를 측정하고 보상하는 방법을 제안했다. 이것이 1950년대에 제안된 적응형 광학 장치의 원리이다. 이를 위해서는 응답 시간이 밀리 초 단위인 파면 측정 장치와 파면 보정 장치 사이에 실시간으로 작동하는 루프가 필요하다. 파면 측정과 관련하여, 샤크-하트만(Shack-Hartmann) 분석기는 미세 가공의 발전을 활용했으며, 현재 대부분 CCD 또는 CMOS 카메라와 함께 사용된다. 파면 보정과 관련하여, 변형 가능한 미러는 이제 수백 개의 액추에이터들과 함께 사용될 수 있으며 대기 장애로 인한 수차를 실시간으로 보정하기에 충분한 속도로 제공된다.

동시에, 또 다른 규모에서, 공초점 현미경, 구조화된 조명 현미경, 및 비선형 현미경과 같은 광학 현미경은, 점점 더 큰 개구수를 사용하여 광학기의 품질에서, 및 가상 시야 “섹셔닝(sectioning)” 기술를 사용하여 이미징 방법 모두에서 큰 진전을 이루었다. 이러한 기술들을 통해 조직의 심층 이미지를 얻을 수 있다. 여기에, 안과에서 망막의 2D 및 3D 이미지를 얻기 위해 의료 시술에 일상적으로 사용되는 OCT(광 간섭 단층 촬영(optical coherence tomography), 소스의 간섭을 사용하여 소정의 깊이로부터 오는 신호를 선택할 수 있음)이 추가될 수 있다. 이 모든 경우에, 빛은 다양한 인덱스 또는 왜곡된 표면의 조직들을 통과하며 이미지의 품질이 저하된다. 그러나, 생체 의학 이미징에 적응형 광학기가 사용된 것은 최근에 불과하다(예를 들어, M. J. Booth의, Light Sci. Appl. 3, e165 (2014) 참조).

어떤 경우에는 망막 표면에 레이저를 집속시켜 “인공 별(artificial star)”(천문학에서와 같이)을 생성할 수 있지만, 생물학적 샘플의 깊이에서 나오는 파면을 측정하는 것은 별에서 나오는 파면을 측정하는 것보다 더 복잡하며, 이는 특히 난분해성 산란체들과 관련된 에코들의 비간섭성 중첩(inherent superposition)으로 인해 스페클(speckle) 이미지를 생성하기 때문이다.

두 번째 접근법은 파면을 측정하지 않고 이미지 품질을 최적화하여 수차를 보정하는 것으로 구성되며, 즉 최적의 이미지로 수렴하기 위해 제어된 방식으로 파면을 변형하는 것이다. 이러한 유형의 접근법의 단점은 최적화된 이미지로 수렴하기 위한 기준을 선택한다는 것에 있다.

또한, 파면에 의한 수차들은 이미지의 위치에 따라 달라진다. 이러한 영역들은, 등평면 도메인이라고 하며 예를 들어 J. Mertz 등의 논문(“field of view advantage of conjugate adaptive optics in microscopy applications”, Appl. Opt. 54, 3498-3506, 2015)은 종종 선험적으로 결정하는 것이 불가능하다. 종래 기술에 공지된 기술에 기초한 수차들의 보정은, 일반적으로 시야 또는 (“field of view” 또는 “FOV”)가 여러 개의 동평면 도메인들을 포함할 때 문제가 되는 것으로 입증된다.

동평면 도메인들의 개념은 도 1a 내지 도 1d에 도시되어 있다. 현미경 대물렌즈(10)와 상기 현미경 대물렌즈의 초점면 사이에 배치된 수차 필름(11)을 상상해보면, 상기 초점면은 각각 이미지(12a 내지 12d)에 의해 도 1a 내지 도 1d 각각에 대해 표현된다. 도 1a의 예에서, 현미경 대물렌즈에 입사하는 파면(13a)은 보정되지 않는다. 따라서, 이것은 회절 한계에 대해 확대되는 초점 스폿(15a)를 초래하는 수차 필름(파면(14a)) 이후에 왜곡된다. 도 1b의 예에서, 입사 파면(13b)은 예를 들어 적응 광학 시스템에 의해 보정되어, 수차를 빠져나가는 파면(14b)이 완벽하게 보정된다(구형파). 이것는, 상기 초점면의 소정의 포인트 r에서, 회절 제한 초점(15b)을 초래한다. │r - r'│< l _c 로 지점 r'에서 초점을 맞출 수 있도록 이와 동일한 보정된 파면이 약간 각이 져 있으면(13c, 도 1c)- 여기서 l _c 는 상기 수차체의 파라미터 특성으로, 상기 수차체의 간섭성 길이(coherence length)라고 함 -, 상기 수차기로부터 나오는 파면(14c)은 보정된 채로 유지되고 집속은 항상 r'(초점 포인트(15c))에서 회절에 의해 제한된다. 지점 r 및 r'은 시야의 동일한 동평면 도메인에 속한다. 그러나, 상기 보정된 입사 파면이 │r - r '│> l _c 로 지점 r'에서 초점을 맞출 수 있도록 더 각지게 하면(13d, 도 1d), 상기 수차체로부터 나오는 파면(14d)이 왜곡되고, 적용된 보정은 r'(초점 포인트(15d))에서 회절 제한 집속을 허용하지 않는다. 이 경우 포인트들 r 및 r'은 시야의 서로 다른 동평면 도메인에 속한다.

본 개시의 맥락에서, 인공 별의 생성이나 이미지 품질 기준에 기초한 파면의 최적화에 기반하지 않는 세 번째 방법이 제안되었다. 본 발명은 광학 이미징 및 수차 보정에 대한 행렬 기반 접근법을 기초로 한다.

이종 매체 내에서 광파 전파에 대한 행렬 기반 접근법은, 전송, 특히 고 산란 매체를 통한 통신의 목적을 위해 개발되었으며, 이는 S. M. Popoff 등의 논문(Phys. Rev. Lett. 104, 100601, 2010)을 참조할 수 있다. 최근에 행렬 기반 접근법은 고 산란 매체를 통한 깊이 이미징에 사용되었다(A. Badon 등의, "Smart optical coherence tomography for ultra-deep imaging through highly scattering media", Sci. Adv. 2016; 2:e1600370 참조). 이 논문에서 “스마트 OCT”라고 하는 이 접근법은, 도 2에 표시된 실험 셋업을 통해 실제 공간(또는 “초점면” 반사 행렬)에서 반사 행렬의 실험적 결정을 포함한다.

펨토초(femtosecond) 레이저 소스(21)로부터의 레이저 빔은 동적 회절 격자 역할을 하는 공간 광 변조기(SLM)(22)에 의해 공간적으로 형성된다. 일련의 평면파가 상기 SLM에 의해 방출되고, 상기 평면파는 현미경 대물렌즈(23)의 객체 초점면의 서로 다른 초점 포인트들 r _in 에 집속된다.

각각의 초점 포인트 r _in 에 대해, 반사된 필드 E _r (u _out , r _in , t)는 동일한 현미경 대물렌즈(23)를 통해 수집되고, 상기 현미경 대물렌즈의 동공 평면과 컨쥬게이팅하는, 예를 들어 CCD 카메라와 같은 2차원 획득 장치(24)의 참조파 E ₀ (u _out , 0, t)에 간섭한다. 시간 t에 걸쳐 통합된 이러한 두 파동 사이의 간섭 패턴은 시간적으로 윈도우된(windowed) 반사 행렬 R _ur 의 열의 계수들

에 대한 액세스를 제공한다.

실제로, 각 계수 R(u _out , r _in )의 진폭과 위상은 위상 시프팅 간섭계에 의해 기록된다. 비행 시간

는 압전 액추에이터(PZT: piezoelectric actuator)에 의해 위치가 조정되는 미러(25)에 의해 상기 간섭계의 참조 암(reference arm)의 길이에 의해 제어된다. 상기 비행 시간은 예상되는 대부분의 응용 분야에서 탄도 시간으로 조정되어, 다중 산란 광자들을 제거하고 샘플의 상기 초점면에 포함된 반사체들에 의해 단일 산란된(scattered singly) 광자들만 유지한다. 상기 초점면의 각 입구 초점 포인트 r _in 에 대해, 반사 계수 R(u _out , r _in )는 출구 현미경 대물렌즈 동공(exit microscope objective pupil)(벡터 u _out 로 식별됨)과 컨쥬게이팅된 평면에 기록된다. 좌표 u _out 에 대한 2차원 푸리에 변환을 사용하면 벡터 r _out 로 식별되는 출구 초점면과 컨쥬게이팅된 평면에서 반사 계수 R(r _out , r _in )를 결정할 수 있다. 상기 초점면의 각 진입 초점 포인트 r _in 에 대해, 반사 계수 R(r _out , r _in )가 기록되고 열 벡터를 따라 저장된다. 마지막으로, 상기 일련의 열 벡터는 상기 초점면에서 반사 행렬 R _rr 을 형성한다. 이에 따라 획득된 시간적으로 윈도우된(temporally windowed) “초점면” 반사 행렬은, 상기 다이애그널(diagonal) 요소들 (r _in = r _out )이 OCT에서 획득할 수 있는 샘플들의 이미지의 “엔-페이스(en-face)” 섹션을 형성한다(전장(full-field) OCT 이미징에 대한 설명은 예를 들어 공개된 특허 출원 US20040061867 참조). 상기 “스마트 OCT(smart OCT)” 접근법은 주로 다중 산란 효과들과 관련된 상기 반사 행렬의 비 다이애그널(non-diagonal) 요소들을 필터링하기 위해 초점면 반사 행렬에 필터를 적용하는 것으로 구성된다. 따라서 이러한 수학적 연산은 수차 초점 스폿(aberrated focal spot)의 폭과 이미지화할 대상의 크기에 따라 조정 가능한 크기의 가상 구멍을 가진 공초점 이미지(confocal image)를 수치적으로 생성하는 것과 같다. 결과적으로 생성된 필터링된 행렬을 특이값들(singular values)로 분해하면, 첫 번째 입력 및 출력 특이 벡터들의 조합을 통해, 상기 다중 산란 노이즈의 많은 부분이 제거된 초점면의 이미지를 재구성할 수 있다.

따라서, A. Badon 등에 의한 상기 논문에서 설명된 상기 “스마트 OCT”는, OCT 기술과 비교하여 단일 및 다중 산란 광자들의 행렬 기반 식별 덕분에, 고 산란 매체에서 침투 깊이를 두 배로 늘릴 수 있다. 그러나, 지금까지 개발된 접근법은 다중 산란 매체에 묻혀있는 표적들을 감지할 수 있지만, 복수의 동평면 도메인들을 포함하는 시야의 이미징은 고사하고 상기 광학 시스템이나 매체 자체에 의해 도입된 수차들을 보정할 수 없다.

본 발명은 광학 이미징 및 시야의 복수의 동평면 도메인에 걸친 수차들의 동시 보정을 위한 새로운 행렬 기반 접근법을 제공한다.

본 개시는 제1 측면에 따라 이종 매체로 형성된 샘플의 비침습적 광학 특성화 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은, 일련의 입사 광파들에 의해, 현미경 대물렌즈의 초점면에 위치한, 상기 이종 매체의 소정의 시야를 조명하는 단계; 상기 초점면의 컨쥬게이트 평면(conjugate plane)과 관찰 평면 사이에 정의된 관찰 베이스에서 제1 왜곡 행렬을 결정하는 단계- 상기 제1 왜곡 행렬은, 상기 초점면의 컨쥬게이트 평면과 수차 보정 평면 사이에서 정의된 보정 베이스에서, 상기 보정 베이스에서, 모델 매체에 대해 정의된, 참조 반사 행렬의 상기 위상 컨쥬게이트 행렬을 사용하여, 상기 보정 베이스에서 결정된, 상기 시야의 제1 반사 행렬의 텀-바이-텀 행렬 곱(term-by-term matrix product)에 대응함 -; 및

상기 제1 왜곡 행렬에 기초하여, 상기 이종 매체의 물리적 파라미터의 적어도 하나의 매핑을 결정하는 단계를 포함한다.

상기 제1 반사 행렬의 각 계수 또는 “요소”는 소정의 집속 조명(focused illumination)에 대해 상기 보정 평면의 포인트에서 결정된 샘플의 복소 반사 계수(complex reflection coefficient)에 해당한다. 이는, 상기 집속 조명을 위한 샘플에 의해 반사된 파동과 참조파 사이의 교차 간섭 항(cross-interference term)을 통해 얻을 수 있다. 상기 참조 반사 행렬의 상기 위상 컨쥬게이트 행렬에 의한 제1 반사 행렬의 텀-바이-텀 행렬 곱 또는 “아다마르 곱(Hadamard product)은, 상기 반사 행렬의 각 요소의 위상에서 모델 매체에 대해 정의된 반사 행렬의 대응하는 요소의 위상을 뺀 값이다. 따라서, 예상 탄도 성분(expected ballistic component)(상기 모델 매체에 의해 정의됨)이 상기 제1 반사 행렬의 각 요소의 위상에서 차감되어, 시야의 각 조명 지점에 대해 왜곡 성분을 분리할 수 있다. 출원인은 상기 왜곡 행렬의 분석을 통해 특히 시야에 포함된 동평면 도메인들을 식별하고, 상기 관찰 평면에서 각각의 동평면 도메인과 관련된 수차 법칙을 결정할 수 있음을 보여주었다.

상기 모델 매체 또는 “참조 매체”는 예를 들어 상기 전파 매체의 유효 지수(또는 평균 지수)와 동일한 광학 지수를 갖는 동종 매체이다. 상기 전파 매체에 대한 사전 지식의 정도에 따라, 상기 모델 매체는 더 정교한 형태(예: 다층 매체 등)를 취할 수 있다.

본 개시의 의미 내의 이종 매체는 공간적으로 불균일한 광학 인덱스를 갖고 입사 광파의 일부를 반사하는 임의의 매체를 포함한다. 예를 들어, 이 매체는 예를 들어 산란 객체 뒤에 위치한 요소를 관찰하려고 할 때 공기 층을 포함하는 특히 서로 다른 광학 인덱스들의 층들로 구성될 수 있으며, 이는, 피부, 망막 또는 생체검사 결과 조직들과 같은 생물학적 매체일 수 있으며, 예를 들어 금속학(금속 조각) 또는 암석학(암석 분석)과 같이, 현미경으로 검사할 수 있는 다른 매체일 수도 있다. 본 개시에 기술된 방법 및 시스템은 특히 이러한 이종 매체의 비침습적 심층 광학 특성화를 허용한다.

상기 이종 매체의 물리적 파라미터는 예를 들어, 시야(“FOV”)에 포함된 각 동평면 도메인과 관련된 수차 법칙들, 매체의 광학 반사율의 파라미터 특성, 매체의 굴절률 또는 다중 산란율의 파라미터 특성을 포함할 수 있다.

매질 및/또는 광학 시스템을 통해 전파되는 파면의 수차들은, 이 매질 및/또는 광학 시스템에서 나오는 파면과 이상적인 경우에 예상되는 파면 간의 차이에 해당한다. 이러한 수차들은 예를 들어 이미징 시스템의 결함들(예: 구면 수차, 혼수, 난시 등)과 연결될 수 있다. 본 개시의 맥락에서, 전파 매체 자체, 즉, 광학 굴절률의 공간적 변동들에 의해 야기되는 수차들이 주된 대상이 된다.

상기 관찰 평면은 예를 들어 상기 수차 법칙들의 매핑을 찾을 때의 수차 보정 평면이다. 상기 수차 보정 평면은 현미경 대물렌즈의 동공 평면과 컨쥬게이팅된 평면 또는 수차가 2차원 위상 스크린으로 간주될 때 수차 평면과 컨쥬게이팅된 평면일 수 있다. 보다 일반적인 경우에는, 시야에 포함된 상기 동평면 도메인들의 크기를 최대화하는 보정 평면을 찾으려고 한다. 상기 관찰 평면은 또한 상기 이미징 시스템의 포인트 확산 함수(point spread function)(또는, 상기 이미징 시스템의 공간 임펄스 응답)의 지도, 또는 상기 다중 산란율의 지도를 작성하려는 경우, 초점면과 컨쥬게이팅된 평면일 수 있다.

출원인들은 상기 왜곡 행렬이 상기 제1 반사 행렬을 결정하는 예비 단계를 포함하거나, 특정 실험 셋업들을 통해 직접 획득될 수 있음을 보여주었다.

따라서, 하나 이상의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 제1 왜곡 행렬의 결정은, 상기 관찰 베이스에서 상기 제1 반사 행렬을 결정하는 예비 단계(시간적으로 윈도우되거나 상기 주파수 도메인에서 결정된 반사 행렬)를 포함하고, 이어서 상기 제1 반사 행렬 및 상기 동일한 베이스에 정의된 상기 참조 행렬에 기초하여 상기 제1 왜곡 행렬을 구성하는 단계가 수행된다.

하나 이상의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 관찰 베이스는 보정 베이스이며, 상기 제1 왜곡 행렬은 상기 동일한 베이스에서 정의된 상기 참조 반사 행렬의 상기 위상 컨쥬게이트 행렬을 사용하여 상기 보정 베이스에서 결정된 상기 시야의 상기 제1 반사 행렬의 텀-바이-텀 행렬 곱에 의해 구성된다. 일 예에 따르면, 상기 보정 베이스와 다른 베이스에서 상기 제1 반사 행렬을 실험적으로 결정한 다음, 베이스의 간단한 변경에 의해 상기 보정 베이스에서 상기 반사 행렬을 결정하는 것이 가능하다.

하나 이상의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 관찰 베이스는 상기 초점면의 2개의 컨쥬게이트 평면들 사이에 정의된 집속 베이스이며, 상기 제1 왜곡 행렬은 상기 집속 베이스에서 정의된 “초점면” 반사 행렬의 각 행 및/또는 열과, 상기 동일한 베이스에서 정의된 상기 참조 반사 행렬의 동일한 행 및/또는 열 사이의 공간적 상관관계(spatial correlation)에 의해 구성된다.

하나 이상의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 참조 매체는 상기 전파 매체의 유효 지수(또는 평균 지수)와 동일한 광학 지수를 갖는 동종 매체이다. 상기 참조 반사 행렬은 이론적으로 상기 현미경 대물렌즈의 초점면에 평면 미러가 있는 이 참조 매체에 대해 설정될 수 있다. 상기 전파 매체에 대한 사전 지식의 정도에 따라, 상기 참조 매체는 보다 정교한 형태(예: 다층 매체 등)을 취할 수 있다. 이 경우, 상기 참조 행렬은 수치적으로 계산될 수 있다. 상기 왜곡 행렬의 구성은 상기 측정된 첫 번째 반사 행렬의 각 요소의 위상에서, 상기 참조 반사 행렬의 해당 요소의 위상을 뺀 것과 같다.

하나 이상의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 제1 왜곡 행렬의 결정은 반사 행렬의 사전 결정 없이 직접 획득된다.

하나 이상의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 제1 왜곡 행렬의 결정은 간섭광(coherent light)으로 조명된 적어도 하나의 제1 간섭계에 의해 실험적으로 수행된다. 상기 방법은, 상기 조명 단계는 동일한, 공간적으로 간섭성인 광파들에 의해 상기 제1 간섭계의 참조 암 및 객체 암을 조명하는 단계- 상기 객체 암은 상기 이종 매체에 위치하는 초점면에 있는 현미경 대물렌즈를 포함하고, 상기 참조 암은 참조 미러를 포함함 -를 포함하며; 상기 제1 왜곡 행렬은 상기 보정 베이스에서 결정되며 상기 제1 왜곡 행렬의 결정은, 상기 초점면의 포인트에 입사하는 각 광파에 대해, 상기 보정 평면에서, 상기 포인트에 의해 반사된 전자기장과 상기 참조 미러에 의해 반사된 전자기장 사이의 간섭으로 인한 인터페로그램(interferogram)을 획득하는 단계; 상기 제1 왜곡 행렬을 구성하는 단계- 상기 제1 왜곡 행렬의 각 열은, 상기 초점면의 포인트에 집속된 입사 광파에 대해, 상기 인터페로그램의 교차 간섭 항(cross-interference term)과 관련된 전자기장에 대응함 -을 포함하는 것을 특징으로 한다.

동일한 입사 광파를 가진 상기 객체 암과 상기 참조 암의 조명을 통해, 출원인들은 이렇게 얻은 인터페로그램의 교차 간섭 항과 관련된 전자기장이 상기 반사된 전자기장의 왜곡 성분과 직접 관련이 있음을 보여주었다. 상기 참조 매체는 공기 또는, 예를 들어 상기 참조 암에 겔을 도입하여 얻은 더 복잡한 매체일 수 있다. 상기 제1 간섭계는 예를 들어 각각의 암에 2개의 대물 렌즈, 유리하게는 2개이 동일한 대물 렌즈를 갖는 리니크 간섭계(Linnik interferometer)이다. 상기 리니크 간섭계의 교차 간섭 항의 결정은 예를 들어 위상 시프팅 간섭계(phase shifting interferometry)에 의해 얻어진다. 따라서, 상기 제1 왜곡 행렬의 각 열은 상기 초점면의 포인트에 집속된 입사 광파에 대해, 상기 관찰 평면에서 측정되고 상기 객체 암의 상기 포인트에 의해 반사된 전자기장과 상기 참조 미러상의 상기 포인트와 컨쥬게이팅된 포인트에 의해 반사된 전자기장 사이의 간섭으로 인한 인터페로그램의 상기 교차 간섭 항에 대응한다. 상기 보정 평면은 예를 들어 상기 현미경 대물렌즈의 출사 동공의 상기 평면의 컨쥬게이트 평면이다. 초점면을 스캔하면 전체 왜곡 행렬을 재구성할 수 있다.

하나 이상의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 제1 왜곡 행렬은 상기 초점면의 2개의 컨쥬게이트 평면 사이에 정의된 집속 베이스라고 불리는 전역 저 간섭 간섭계(full-field low coherence interferometry)에 의해 실험적으로 결정되며, 상기 방법은, 상기 조명 단계는 공간적으로 비 간섭성인 광파들(spatially incoherent light waves)에 의해 제1 간섭계의 참조 암 및 객체 암을 전장(full-field) 조명하는 단계- 상기 객체 암은 상기 이종 매체에 위치하는 초점면에 있는 현미경 대물렌즈를 포함하고, 상기 참조 암은 참조 미러를 포함하며, 상기 제1 간섭계의 출력에서 상기 이종 매체 및 상기 참조 미러에 의해 반사된 상기 파동은 상기 초점면과 컨쥬게이팅된 평면에서 공간적 시프트를 나타내며, 상기 시프트는 가변적임 -; 상기 제1 왜곡 행렬은 상기 초점면의 2개의 컨쥬게이트 평면 사이에 정의된 집속 베이스에서 결정되며, 상기 제1 왜곡 행렬의 결정은, 각 공간적 시프트에 대해, 상기 초점면의 컨쥬게이트 평면에서, 상기 이종 매체와 상기 참조 미러에 의해 반사되고 공간적으로 시프트된 상기 파동들 사이의 간섭으로 인한 인터페로그램을 획득하는 단계; 및 상기 제1 왜곡 행렬을 구성하는 단계- 상기 제1 왜곡 행렬의 각 행은 상기 공간적 시프트 값에 대해, 상기 인터페로그램의 교차 간섭 항과 관련된 상기 전자기장에 대응함 -을 포함하는 것을 특징으로 한다.

출원인은 이와 같이 결정된 상기 제1 왜곡 행렬의 각 행이 “초점면” 반사 행렬의 서브다이애그널(subdiagonal)임을 보여주었다. 따라서, 초점면을 스캔하지 않고 비 간섭성인 조명 하에서 왜곡 행렬을 결정할 수 있다.

하나 이상의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 이종 매체의 물리적 파라미터의 적어도 하나의 매핑의 결정은, 상기 초점면에서 적어도 하나의 제1 동평면 도메인을 식별하기 위해, 상기 제1 왜곡 행렬의 상기 초점면에서 불변량들을 결정하는 단계; 및 식별된 각각의 제1 동평면 도메인에 대해, 상기 수차 보정 평면에서 수차의 제1 법칙의 매핑을 결정하는 단계를 포함한다.

상기 제1 왜곡 행렬이 정의되는 상기 보정 베이스의 보정 평면은, 유리하게는 시야에 포함된 상기 동평면 도메인들의 크기를 최대화하는 평면, 예를 들어 후자가 2차원인 경우 수차체의 평면과 컨쥬게이팅된 평면, 또는 예를 들어 상기 현미경 대물렌즈의 동공 평면과 컨쥬게이팅된 평면이다. 상기 제1 왜곡 행렬은 상기 관찰 베이스에서 직접, 또는 예를 들어 “초점면” 왜곡 행렬인, 다른 베이스에서 결정된 왜곡 행렬로부터 베이스를 변경함으로써 획득될 수 있다.

상기 제1 왜곡 행렬의 불변량들을 결정하기 위해 몇 가지 알려진 방법들이 구현될 수 있다. 하나 이상의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 제1 왜곡 행렬의 상기 초점면에서의 상기 불변량들의 결정은, 상기 제1 왜곡 행렬의 특이값 분해, 상기 제1 정규화된 왜곡 행렬의 특이값 분해- 즉, 각 요소의 모듈러스는 정규화되었지만 위상은 보존될 것임 -, 또는 상기 제1 왜곡 행렬의 정규화된 상관 행렬의 특이값 분해- 즉, 각각의 요소의 모듈러스가 정규화될 상기 제1 왜곡 행렬의 상관 행렬임 -을 포함한다.

광학 주파수에서 흔히 발생하는 상기 이종 매체에 대한 정반사를 가정하면, 출원인은 시야 전체에 대한 이종 매체의 반사율 매핑이 상기 제1 왜곡 행렬의 상기 특이 벡터들의 선형 조합에 의해 얻어질 수 있음을 보여주었다.

출원인은 또한 상기 왜곡 행렬의 상기 특이값 분해를 통해 상기 신호 서브공간(행 및/또는 열 간에 유의미한 상관 관계를 특징으로 하는 행렬)의 노이즈 서브공간(행과 열 간의 상관 관계가 없는 무작위 행렬)을 필터링할 수 있음을 보여주었으며, 상기 노이즈 서브공간은 상기 초점면의 업스트림(upstream)에서 발생하는 다중 산란 이벤트들에 의해 유도된 상기 반사된 필드의 비일관적인 기여와 실험 노이즈를 모두 포함한다.

하나 이상의 예시적인 실시예에 따르면, 본 개시에 따른 상기 방법은, 상기 이미징 시스템의 상기 포인트 확산 함수의 결정을 더 포함한다. 상기 이미징 시스템의 포인트 확산 함수(또는 임펄스 응답 또는 “PSF”)는 상기 동공 평면에서 측정된 수차 법칙의 공간 푸리에 변환(spatial Fourier transform)에 해당한다. 이것은 각 동평면 도메인에서 공간적으로 불변성이다. 일 예에 따르면, 이는 “초점면” 왜곡 행렬의 상기 특이값 분해로부터 얻어질 수 있다.

하나 이상의 예시적인 실시예에 따르면, 본 개시에 따른 상기 방법은, 상기 관찰 베이스에서, 상기 하나 이상의 제1 수차 법칙에 의해 보정된 상기 시야의 제1 반사 행렬의 결정을 더 포함한다. 이것은, 특히 샘플에 의한 무작위 산란 반사를 가정할 때, 수차들에 의해 보정된 매체, 또는 “이미지”의 반사율 매핑을 결정할 수 있도록 한다.

시야에서 상기 보정된 제1 반사 행렬에 기초하여, 하나 이상의 예시적인 실시예에 따라, 제2 왜곡 행렬을 결정하는 것이 가능하다. 상기 제2 왜곡 행렬은, 상기 보정 베이스에서, 상기 참조 반사 행렬의 상기 위상 컨쥬게이트 행렬을 사용하여, 상기 보정 베이스에서 결정된 상기 보정된 반사 행렬의 텀-바이-텀 곱에 대응한다. 상기 제2 왜곡 행렬은, 상기 초점면에서 불변량들을 결정함으로써, 식별된 상기 제1 동평면 도메인에서 상기 보정을 개선할 수 있게 한다. 이는, 또한 상기 초점면에서 적어도 하나의 제2 동평면 도메인을 식별하고, 식별된 상기 제2 동평면 도메인에 대해, 상기 보정 평면에서 제2 수차 법칙의 매핑을 결정하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 상기 방법은, 수차들에 대해 보정된, 매체, 또는 “이미지”의 반사도의 매핑을 얻기 위해 시야에 포함된 동평면 도메인들의 수에 따라 필요한 만큼 반복될 수 있다. 이 반복적인 프로세스는 특히 무작위 산란 또는 중간 반사, 즉 혼합 정반사와 무작위 산란 반사를 가정할 때 적용된다.

하나 이상의 예시적인 실시예에 따르면, 본 개시에 따른 상기 방법은, 반사된 필드의 정반사 성분 및/또는 이종 매체의 다양한 인터페이스들 사이에서 유도된 다중 반사의 식별 및/또는 제거를 더 포함한다. 이를 위해, 상기 왜곡 행렬은 입력과 출력 모두에서 푸리에 평면에 투영될 수 있다. 이 베이스에서는, 정확한 반사각과 입사각 쌍에 대해 필드의 정반사 및 다중 반사 성분들이 나타난다. 따라서, 이들은 쉽게 필터링될 수 있으며, 반사된 필드의 무작위 산란 성분(스페클)만 보존된다. 상기 무작위 산란 성분의 이러한 식별은 상기 반사 행렬을 수정하고 매체의 최적 이미지를 얻기 위해, 입력 및 출력에서 적용될 수차 법칙들에 직접 액세스할 수 있도록 한다. 특히, 상기 정반사 성분이 우세한 경우, 나가는 상기 입사파와 복귀하는 상기 반사파에 대한 누적 수차 법칙들(cumulative aberration laws)에만 액세스할 수 있으므로, 객체의 무작위 산란 성분을 최적으로 보정할 수 없다. 또한, 상기 푸리에 평면에서 상기 왜곡 행렬을 필터링하면, 광학 간섭 단층 토모그래피 이미지들(optical coherence tomography images)을 오염시킬 수 있는 인터페이스들 간의 다중 반사들을 제거할 수 있다.

제2 측면에 따르면, 본 개시는 상기 제1 측면에 따른 이종 매체의 비침습적 광학 특성화를 위한 방법의 하나 이상의 예시적인 실시예의 구현을 위한 시스템에 관한 것이다.

특히, 본 개시는 적절한 간섭계 장치에 의해, 상기 제1 반사 행렬의 사전 결정 없이, 상기 제1 왜곡 행렬의 직접 결정을 허용하는 시스템에 관한 것이다.

따라서, 하나 이상의 예시적인 실시예에 따르면, 본 개시는 이종 매체의 비침습적 광학 특성화를 위한 시스템에 관한 것이며, 상기 시스템은, 상기 이종 매체가 위치하도록 의도된 초점면을 정의하는 제1 현미경 대물렌즈; 상기 현미경 대물렌즈를 통해, 이종 매체의 소정의 시야를 조명하도록 의도된 일련의 입사 광파들을 방출하기 위한 장치; 관찰 평면에 배치된 2차원 획득 검출기; 및 상기 발광 장치 및 상기 2차원 획득 검출기에 커플링된 제1 간섭계- 상기 제1 간섭계는 상기 현미경 대물렌즈를 갖는 객체 암, 및 제2 현미경 대물렌즈의 초점 스폿에서 참조 미러를 포함하는 참조 암을 포함하며, 상기 제1 간섭계는 상기 관찰 평면에서, 상기 이종 매체와 상기 참조 미러에 의해 반사된 파동들 사이의 간섭들을 형성하도록 구성됨 -; 상기 2차원 획득 검출기에 커플링된 컴퓨팅 유닛을 포함하며, 상기 컴퓨팅 유닛은, 상기 간섭들로부터 기인한 인터페로그램(interferogram)에 기초하여, 상기 초점면의 컨쥬게이트 평면(conjugate plane)과 상기 관찰 평면 사이에서 정의된 관찰 베이스의 제1 왜곡 행렬을 결정하도록- 상기 제1 왜곡 행렬은, 상기 초점면의 컨쥬게이트 평면과 수차 보정 평면 사이에 정의된 보정 베이스에서, 상기 보정 베이스에서 모델 매체에 대해 정의된 참조 반사 행렬의 위상 컨쥬게이트 행렬을 사용하여, 상기 보정 베이스에서 결정된 상기 시야의 제1 반사 행렬의 텀-바이-텀 행렬 곱(term-by-term matrix product)에 대응함 -; 및 상기 제1 왜곡 행렬에 기초하여, 상기 이종 매체의 물리적 파라미터의 적어도 하나의 매핑을 결정하도록 구성된다.

하나 이상의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 발광 장치는 동일하고, 공간적으로 간섭성인 광파들에 의해 상기 객체 암 및 상기 참조 암을 조명하도록 구성된다.

이 예에 따르면, 상기 관찰 평면은 수차 보정 평면이며, 상기 2차원 획득 장치는 상기 보정 평면에서 그리고 상기 초점면의 포인트에 입사하는 각 광파에 대해, 상기 포인트에 의해 반사된 전자기장과 상기 참조 미러에 의해 반사된 전자기장 사이의 간섭으로 인한 인터페로그램을 획득하도록 구성된다. 상기 컴퓨팅 유닛은 제 1 왜곡 행렬을 생성하도록 구성된다- 상기 제1 왜곡 행렬의 각각의 열은, 상기 초점면의 포인트에 집속된 입사 광파에 대해, 상기 인터페로그램의 교차 간섭 항과 관련된 전자기장에 대응함 -.

하나 이상의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 발광 장치는 공간적으로 비 간섭성인 광파에 의해 상기 객체 암 및 참조 암 상의 시야(“전장(full-field)” 조명)의 전체를 조명하도록 구성된다.

이 예에 따르면, 상기 시스템은 상기 제1 간섭계의 출구에서, 상기 이종 매체 및 상기 참조 미러에 의해 반사된 파동들을 형성하도록 구성되며, 이는 상호 간섭성이고 상기 초점면과 컨쥬게이팅된 평면에서 공간적 시프트를 나타내며, 상기 시프트는 가변적이다. 상기 관찰 평면은 상기 초점면과 컨쥬게이팅된 평면이고, 상기 2차원 획득 장치는, 상기 관찰 평면에서, 및 각각의 공간적 시프트에 대해, 상기 이종 매체와 상기 참조 미러에 의해 반사되고 공간적으로 시프트된 상기 파동들 사이의 간섭으로 인해 발생하는 인터페로그램을 획득하도록 구성된다. 상기 컴퓨팅 유닛은 제1 왜곡 행렬을 생성하도록 구성된다- 상기 제1 왜곡 행렬의 각 행은, 공간적 시프트 값에 대해, 상기 인터페로그램의 교차 간섭 항과 관련된 전자기장에 대응함 -.

이러한 시스템은 간섭성 조명을 사용하는 시스템에 비해 시야를 스캔하지 않아도 된다.

출원인은 반사파와 참조파 사이의 가변적인 공간적 시프트를 가능하게 하는 여러 시스템들을 개발했다.

따라서, 제1 예시적인 실시예에 따르면, 상기 제1 간섭계는 상기 객체 암 및 참조 암을 형성하도록 구성된 제1 빔 스플리터를 포함한다. 상기 참조 암은 상기 조명파들을 참조 미러 및 제2 미러로 보내도록 구성된 제2 빔 스플리터를 포함하며- 상기 제2 미러는 상기 현미경 대물렌즈의 상기 동공 평면과 컨쥬케이팅된 평면에 배열되고, 상기 현미경 대물렌즈의 광축에 의해 정의된 광축에 대해 가변 경사도를 나타냄 -; 상기 객체 암은 상기 조명파들을 상기 이종 매체 및 제3 미러로 보내도록 구성된 제3 빔 스플리터를 포함한다- 상기 제3 미러는 상기 현미경 대물렌즈의 광축에 의해 정의된 광축에 수직인, 상기 현미경 대물렌즈의 동공 평면과 컨쥬게이팅된 평면에 배열됨 -. 상기 제1 간섭계는 객체 암 및 참조 암으로부터 나오는, 상기 이종 매체 및 상기 참조 미러에 의해 반사된 파동들을 결합하도록 구성된 제4 빔 스플리터를 포함한다.

제2 예시적인 실시예에 따르면, 상기 광학 특성화 시스템은, 상기 발광 장치로부터 상기 공간적으로 비간섭성인 광파들을 수신하도록, 및 직교 편광들을 갖고 상기 초점면과 컨쥬게이팅된 평면에서 공간적 시프트를 나타내는 2개의 편광된 조명파들을 형성하도록 구성되며; 상기 제1 간섭계는 각각 직교 편광들을 갖고 공간적 시프트를 나타내는 상기 편광파들 각각을 상기 객체 암 및 참조 암에 각각 보내도록 구성된 편광 분할 소자를 포함한다.

상기 직교 편광들은 2개의 직교 편광을 형성할 수 있도록 하는 직선, 원형, 또는 임의의 다른 편광일 수 있다.

이러한 시스템은 2개의 간섭계가 개별적으로 조정될 수 있다는 점에서 유리하며, 이는 사용의 용이성을 제공한다.

위에 제시된 기술의 다른 이점과 특징들은 다음과 같은 도면들을 참조하여 제공되는 아래의 상세한 설명을 읽음으로써 분명해질 것이다.
도 1a 내지 도 1d(이미 설명됨)는 동평면 도메인들의 개념을 개략적으로 도시한다.
도 2(이미 설명됨)는 종래 기술에 따른 산란 매체를 통한 이미징을 위한 실험 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3a는 다양한 표기법을 도입하는 것을 가능하게 하는 본 개시에 따른 시스템의 단순화된 다이어그램을 도시하며, 도 3b는 4차원 행렬들의 표현에 사용되는 규칙을 설명하는 다이어그램을 도시한다.
도 4 및 도 5a 내지 도 5d는 상기 왜곡 행렬의 개념을 설명하는 다이어그램을 도시한다.
도 6a 내지 도 6는 각각, (도 6a) 정반사를 도입하는 샘플의 경우 및 디포커스 결함(defocus defect)(단일 동평면 도메인)에 대한 제1 예시적인 반사 행렬, (도 6b) 대응하는 초점면 반사 행렬 및 상기 초점면 반사 행렬에 기초하여 획득된 예시적인 포인트 확산 함수(point spread function), (도 6c) 도 6a의 반사 행렬에 기초하여 획득된 왜곡 행렬을 도시한다.
도 7a 내지 도 7c는 각각, 도 6c에 도시된 왜곡 행렬의 정규화된 특이값들(normalized singular values)의 스펙트럼, 제1 출력 고유벡터(U ₁ )의 위상 매핑 및 제1 입력 고유벡터(V ₁ )의 모듈러스 매핑을 도시한다.
도 8a 내지 도 8d는 각각, 도 6a 내지 도 6c(단일 동평면 도메인)에 의해 예시된 것과 동일한 예를 위해, (도 8a, 도 8b) 보정 전후의 초점면 반사 행렬들과, 두 행렬로부터 추론된 공초점 이미지들 도시한다.
도 9a 내지 도 9d는 왜곡 행렬(복수의 동평면 도메인들의 경우)의 제2 예시적인 사용을 도시하고, 보다 상세하게는, 도 9a는 실험 장치의 다이어그램, 도 9b는 측정된 초점면 반사 행렬, 및 상기 초점면 반사 행렬로부터 추출된 공초점 이미지의 예들, 도 9c는 측정된 반사 행렬에 해당하는 왜곡 행렬의 정규화된 특이값들의 스펙트럼, 도 9d는 출력 고유벡터(U _i )의 위상 매핑, 입력 고유벡터(V _i )의 모듈러스 매핑, 기존의 OCT 이미지, 보상 광학계(adaptive optics) 에 의해 획득된 이미지, 및 상기 입력 고유벡터들의 조합에 의해 획득된 이미지를 도시한다.
도 10a 내지 도 10d는 수차체를 통해 이미지화된 무작위 위상 해상도 테스트 패턴 (무작위 산란 반사)의 경우 왜곡 행렬의 수치 시뮬레이션으로부터 얻은 결과를 도시하며, 따라서, 도 10a는 종래 기술에 따른 객체의 공초점 이미지를 도시하며, 도 10b는 상기 왜곡 행렬의 제1 고유벡터(U ₁ )에 기초하여 보정된 이미지를 도시하며, 도 10c 및 도 10d는

의 정규화된 상관 행렬의, 2개의 제1 고유벡터들,

및

를 기초로 보정을 반복한 후 얻은 이미지를 도시한다.
도 11a, 도 11b는 본 개시에 따른 특성화 시스템의 제1 예(간섭 조명)을 개략적으로 도시한다.
도 12, 도 13은 본 개시에 따른 특성화 시스템의 다른 예들(비간섭 조명)을 도시한다.
도 14a, 도 14b는 질병이 있는 각막(도 14a)을 통해 관찰된 샘플(해상도 테스트 패턴)에 대해 도 12의 유형의 실험 장치에 의해 실험적으로 얻은 왜곡 행렬(도 14b)를 도시한다.
한편으로 도 15a 내지 도 15e, 및 다른 한편으로 도 16a 내지 도 16e는 보정된 이미지를 얻기 위한 도 14b에 도시된 왜곡 행렬의 사용을 도시한다.
도 17a 내지 도 17d는 혼합된 정반사 및 무작위 산란 모드(도 13 유형의 실험 장치)에서 생물학적 매체의 심층 이미징에 본 개시에 따른 방법의 적용을 도시한다.
도면들을 참조하여 설명될 다양한 실시예에서, 유사하거나 동일한 요소는 동일한 참조 번호를 갖는다.

다음의 상세한 설명에서, 설명의 명확성을 보장하기 위해 특정 실시예들만이 상세하게 설명되지만, 이러한 예들은 본 개시에서 나오는 원리의 일반적인 범위를 제한하려는 것이 아니다.

본 개시에 설명된 다양한 실시예들 및 측면들은 여러 방식으로 결합되거나 단순화될 수 있다. 특히, 달리 명시되지 않는 한, 다양한 방법의 단계들은 반복, 반전, 또는 병렬로 수행될 수 있다.

본 개시에서, 특히 방법 단계들의 구현을 위한 계산 또는 처리 단계들을 참조할 때, 각각의 계산 또는 처리 단계는 소프트웨어, 하드웨어, 펌웨어, 마이크로코드, 또는 이러한 기술의 임의의 적절한 조합에 의해 구현될 수 있음이 이해된다. 소프트웨어를 사용할 때, 각 계산 또는 처리 단계는 컴퓨터 프로그램 명령들 또는 소프트웨어 코드에 의해 구현될 수 있다. 이러한 명령들은 컴퓨터(또는 컴퓨터 유닛)에 의해 판독 가능한 저장 매체에 저장되거나 전송될 수 있고/있거나 이러한 계산 또는 처리 단계들을 구현하기 위해 컴퓨터(또는 컴퓨터 유닛)에 의해 실행될 수 있다.

(왜곡 행렬의 정의)

본 개시는 현미경 대물렌즈의 초점면에 배치된 이종 샘플의 비침습적 광학 특성화를 위한 방법 및 시스템을 설명한다. 이러한 방법 및 시스템은 나머지 설명에서 “왜곡 행렬”이라고 하는 하나 이상의 첫번째 행렬의 결정을 기반으로 한다.

샘플의 특성화에 사용되는 광학 시스템의 다양한 평면들을 식별하기 위해 본 개시에서 사용된 표기법은 단순화를 위해 시스템의 일부 요소들만을 도시한 도 3에 의해 정의된다.

따라서, 현미경 대물렌즈(30)의 초점면은 FP로 참조되고 샘플을 수용하도록 의도된다. r은 직교 좌표들(Cartesian coordinates)(x, y)로 정의된, 초점면 FP의 포인트를 나타낸다. InP는 현미경 대물렌즈의 입사동의 평면 또는 현미경 대물렌즈의 입사동의 평면과 컨쥬게이팅된 임의의 평면을 나타낸다. 상기 입사동은 특성화하려는 샘플의 시야를 조명하기 위해 입사 광파들을 수신하기 위한 것이다. u _in 은, 직교 좌표들 (v_in, w_in)로 정의된, 입사동 InP 평면의 포인트를 나타낸다. OutP는 현미경 대물렌즈의 출사동의 평면 또는 현미경 대물렌즈의 출사동의 평면과 컨쥬게이팅된 임의의 평면을 나타낸다. 상기 출사동은 특성화하려는 샘플의 시야에 의해 반사된 광파를 수신하기 위한 것이다. u _out 은 직교 좌표들 (v_out, w_out)에 의해 정의된, 출사동 OutP의 평면의 포인트를 나타낸다. 각각의 입사동 및 출사동을 포함하는 입구 및 출구 경로는 이 예에서 빔 스플리터 소자(31)에 의해 분리된다. 입구 경로에서, SP는 현미경 대물렌즈의 초점면에 컨쥬게이팅된 상기 광학 시스템의 소스 평면을 나타내며, 이 예에서는 광학 장치(32)가 현미경 대물렌즈(30)와 함께 셋업(4f)을 형성한다. r _in 은 직교 좌표들 (x_in, y_in)로 정의된, 소스 평면 SP의 포인트를 나타낸다. 출구 경로에서, ImP는 상기 현미경 대물렌즈의 초점면과 컨쥬게이팅된, 광학 시스템의 이미지 평면으로 표시되며, 현미경 대물렌즈(30)와 셋업(4f)을 형성하는 광학 장치(33)에 의해 표시된다. r _out 은 직교 좌표들 (x_out, y_out)로 정의된, 이미지 평면 ImP 의 포인트를 표시한다.

상기 왜곡 행렬은, 상기 초점면의 컨쥬게이트 평면과 수차 보정 평면 사이에 정의된 보정 베이스에서, 상기 보정 베이스에서 모델 매체에 대해 정의된, 참조 반사 행렬의 위상 컨쥬게이트 행렬을 사용하여, 상기 보정 베이스에서 결정된 상기 시야의 반사 행렬의 텀-바이-텀 행렬 곱(term-by-term matrix product)에 대응한다.

실험적으로, 상기 반사 행렬은 종래 기술의 도 2를 참조하여 설명된 바와 같이, 방출시, 공간적으로 간섭성인 광원에 의해 조명되는 공간 광 변조기(SLM: spatial light modulator)를 사용함으로써 능동적으로 측정될 수 있다. 관찰 평면에서 샘플에 의해 반사된 필드와 참조 필드 사이의 교차 간섭 항(cross-interference term)은 간섭계 기술(“4개 이미지 위상 시프팅(four-image phase shifting)” 방법, 오프-축(off-axis) 홀로그래피 등)을 통해 CCD 또는 CMOS 카메라에서 측정될 수 있다. 따라서, 상기 반사 행렬은 이 경우 SLM의 각 픽셀과 카메라의 각 픽셀 사이의 일련의 임펄스 응답들에 해당한다.

주파수 도메인에서 인터페로그램들을 형성할 수도 있다(예를 들어, CCD 또는 CMOS 카메라에 커플링된 분광계 사용). 그런 다음, 상기 푸리에 도메인에서 상기 반사 행렬을 측정한 다음, 소정의 스펙트럼 대역에 걸쳐 합산함으로써 매체의 각 깊이에 대한 상기 반사 행렬을 재구성할 수 있다. 이 경우, 샘플의 심층 스캐닝은 광축을 따라 샘플을 자동으로 변환하는 대신 다른 주파수들에서 얻은 행렬들을 재결합하여 얻을 수 있다.

상기 왜곡 행렬은 상기 반사 행렬에 기초하여 수치적으로 계산될 수 있다. 그러나, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 상기 왜곡 행렬은 또한 상기 반사 행렬의 사전 결정 없이 실험적으로 직접 결정될 수 있다.

또한, 상기 반사 행렬 및/또는 왜곡 행렬은 상기 광학 셋업의 서로 다른 평면들 사이에서 측정 및 연구될 수 있으며, 나머지 설명에서는 사용된 베이스에 관계없이 반사 및/또는 왜곡 행렬이 참조될 것이다. 따라서, 반사 및/또는 왜곡 행렬은, SLM 및 CCD 카메라의 표면이 샘플을 이미지화하려는 현미경 대물렌즈의 동공과 컨쥬게이팅된 경우, 예를 들어 방출시(InP) 동공 평면 및 수신시(OutP) 동공 평면, 또는 컨쥬게이트 평면들에 대해 정의될 수 있다. 상기 반사 및/또는 왜곡 행렬은 이미지화될 객체의 평면과 컨쥬게이팅되는 소스(SP) 및 수신기(ImP) 평면 사이에서도 정의될 수 있다. 마지막으로, 상기 반사 및/또는 왜곡 행렬은 “상호(reciprocal)” 평면들이라 불리는, 방출시의 동공 평면 및 수신시의 물체면과 컨쥬게이팅되는 평면을 연결할 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 본 개시에서, 이들 베이스들 중 하나 또는 다른 것이 사용될 수 있으며, 하나의 평면에서 다른 평면으로의 전환은 단순 이산 공간 푸리에 변환(simple discrete spatial Fourier transforms)을 포함하는 행렬 연산들에 의해 수행될 수 있다.

또한, 본 개시에서, 실험적으로 측정된 반사 행렬들 및/또는 왜곡 행렬들은 일반적으로 센서들의 2D 어레이들(예를 들어 SLM 및 CCD 카메라) 사이에서 측정된다는 점에 유의해야 한다. 따라서 측정된 행렬들은 4D 구조를 갖는다. 이러한 행렬들을 조작하고 표현하기 위해, 센서들의 2D 어레이들은 입력 및 출력 벡터에 따라 연결되어, 반사 및 또는 왜곡 행렬들은 궁극적으로 조작 및 시각화가 더 쉬운 2차원 형태를 취한다.

도 3b는 N² x N² 요소들을 갖는 행렬(35)을 형성하기 위해, N x N 요소들(SLM)을 갖는 입력 벡터들(36) 및 N x N 요소들(CCD)을 갖는 출력 벡터들(37)에 기초하여 행렬을 연결하는 것을 예시적으로 도시한다. 각각의 입력 벡터 r _in (36)의 N² 요소들은 행렬(35)의 열에 배열되고, 각 출력 벡터 r _out (37)의 N² 요소들은 행렬(35)의 행에 배열된다.

도 4는 왜곡 행렬의 개념을 단순화된 다이어그램으로 도시한다.

도 3a의 것과 유사한, 샘플 특성화를 위한 시스템의 단순화된 다이어그램이 도 4의 왼쪽에 도시되어 있다. 이 예에서, 제1 횡모드(transverse mode)(41a)에 의해 현미경 대물렌즈(30)의 입사동 InP을 특징으로 하는 제1 입사 광파는, 현미경 대물렌즈의 초점면에 집속되기 위해 예를 들어 SLM(미도시)에 의해 적용된다. 이 횡모드는 초점면 FP의 초점 포인트에 초점을 맞추고 소스면 SP(미도시)의 지점 r _ina 과 컨쥬게이팅된다. 제2 횡모드(41b)에 의해 현미경 대물렌즈(30)의 입사동 InP를 특징으로 하는 제2 입사 광파는, 소스면 SP의 지점 r _inb 과 컨쥬게이팅된, 초점면 FP의 초점 포인트에 집속된다. 상기 반사된 전자기장은 예를 들어 공지된 간섭계 기술(interferometry techniques)(미도시)에 의해 CCD 카메라(미도시)에 의해 푸리에 공간(이 예에서는 출사 동공 평면 OutP)에서 측정된다. 이미지들(42a 및 42b)은 각각 입사 포인트들 r _ina 및 r _inb 에 대한 반사된 전자기장의 위상을 나타낸다. 이러한 2차원 필드들은 벡터 u _out 에 의해 식별된다. 연결(concatenation) 후, 이들은 출사동 평면 OutP와 소스 평면 SP 사이에서 결정된, 반사 행렬 R _ur (미도시)의 두 열을 형성한다. 따라서, 이 행렬 R _ur 의 각 열은 초점면의 포인트 r _in 에 집속된 입사파에 대해 동공 평면 OutP(u _out 으로 식별)에서 반사된 전자기장에 해당한다. 상기 반사된 전자기장은 기하학적 성분(평면파)- CCD 카메라 상의 이것의 투영은 각각, 입구 초점 포인트들 r _ina 및 r _inb 에 대해 이미지들(43a, 43b)에 의해 도시됨 -, 및 예를 들어 수차 층(40)에 의해 도 4에 개략적으로 도시된 수차체를 통과하여 야기되는 왜곡 성분을 포함한다. 이미지들(44a, 44b)는 반사된 전자기장(42a, 42b) 각각에 대한 상기 파면의 왜곡 성분을 도시한다. 연결 후, 파면(44a, 44b)의 이러한 왜곡 성분들은 왜곡 행렬 D _ur (도 4의 이미지(45))의 2개의 열을 형성한다. 따라서, 상기 왜곡 행렬 D _ur 의 열들은 관찰 평면에서 측정되고 벡터 u _out 에 의해 식별되는, 시야의 서로 다른 초점 포인트들 r _in 에 의해 반사된 전자기장들의 왜곡 성분으로 형성된다.

실제로, 반사된 파면의 왜곡 성분을 분리하기 위해, 도 5a 내지 도 5d에 도시된 바와 같이, 모델 매체에 대해, 이상적으로 수차들이 없을 때 얻을 수 있는 반사된 전자기장의 위상을 뺀다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 수차체(40)의 존재 하에, 초점 포인트 r _in 에서 현미경 대물렌즈(30)의 초점면 FP에 집속하도록 형성된, 방출된 입사 파면(52a)은, 수차체 필름(파면(53a))에 의해 왜곡되고 초점면 FP에서 수차 초점(54a)을 발생시킨다. 이 입사 필드는 상기 매체에 의해 반영된다(도 5b). 반사된 파면(55a)은 다시 한번 수차체 필름을 통과한 다음, 예를 들어 간섭계 기술에 의해 동공 평면 OutP(파면(56a))에서 측정된다. 이 반사된 필드 R(u _out , r _in )는 회절과 관련된 기하학적 성분과 수차체에 관련된 왜곡 성분을 갖는다. 이 두 성분들을 분리하기 위해, 초점면에 참조 매체와 평면 미러가 있는, 상기 수차체가 없는 동일한 실험을 상상해본다(도 5c, 도 5d). 초점 포인트 r _in 에 집속하고 초점면 FP에서 비수차 초점 스폿(non-aberrated focal spot)(54b)을 발생시키기 위해 동일한 입사 파면(52b)이 형성된다. 이 입사 필드는 상기 초점면의 미러에 의해 반사된다(도 5d). 반사된 파면(55b)은 동공 평면 OutP(파면(56b))에서 최종적으로 결정된다. 실험적으로 측정된 필드의 위상에서 이상적인 필드의 위상을 빼면, 상기 필드의 왜곡 성분 D(u _out , r _in )가 추출되어 행렬 D _ur 의 열을 형성한다. 초점면의 각 지점에 대해 이 작업을 반복하여, 왜곡 행렬 D _ur 을 얻는다.

상기 모델 매체가 균질하고 완벽한 미러가 초점면에 배치된 경우,

(u _out , r _in )로 표시되는 이상적인 수신 필드(56b)는 회절에 관련된 기하학적 성분만 포함하며 이는 평면파이다.

는 소스 평면 SP과 동공 평면 OutP 사이의 다음을 갖는 전파 행렬이다.

(수식 1)

여기서

는 가상 단위,

는 일정한 위상 항, f는 현미경 대물렌즈의 초점 거리, l는 입사 파면의 파장이다. 수식 1은 소스 평면 SP(및 그 컨쥬게이트 평면들)로부터의 필드와 출사동 평면 OutP 사이의 공간 푸리에 변환 관계를 반영한다.

따라서, 왜곡 행렬 D는 다음 아다마르 행렬 곱(Hadamard matrix product)(즉, 텀-바이-텀 행렬 곱)에 의해 관찰 평면에서 구성될 수 있다.

(수식 2)

여기서,

는

의 위상 컨쥬게이트 행렬이고, o는 텀-바이-텀 행렬 곱(아다마르 행렬 곱)을 나타낸다. 다시 말해, 행렬

의 위상 컨쥬게이트 행렬

의 요소들은

의 계수들과 동일한 모듈러스를 갖지만 반대 인수(argument)를 갖는 복소수이다.

비균질 모델 매체의 경우, G _o 의 표현은 수식 1에 주어진 것보다 더 복잡해진다. 예를 들어, 가변 광학 지수의 다층 매체의 경우, 행렬

는 각 레이어에서의 파동의 전파와 연관된 서로 다른 전송 행렬들(transmission matrices) 간의 행렬 곱에 의해 분석적으로 계산될 수 있다. 더 복잡한 모델 매체, 일반적으로 이동 불변성(translation invariant)(예: 곡선 인터페이스)이 아닌 매체의 경우, 행렬

는 수치 시뮬레이션 또는 반-분석적(semi-analytical) 계산에 의해 결정될 수 있다.

상기 왜곡 행렬은 상기 초점면에서도 분석될 수 있다. “초점면” 왜곡 행렬

는 다음과 같은 베이스 변경을 통해 관찰 평면

에 표현된 상기 왜곡 행렬을 기초로 얻을 수 있다.

(수식 3)

즉, 행렬 계수 측면에서,

(수식 4)

여기서 지수

는 컨쥬게이트 전치 행렬 연산을 나타내고

는 상수이다. D _rr 의 열들은 초점 포인트 r _in 의 중심에 있는 이미지 평면에 반사된 필드에 해당한다. 따라서, 행렬 D _rr 는 시야의 각 지점에서 상기 이미징 시스템의 반사 포인트 확산 함수의 변화를 제공하며, 상기 포인트 확산 함수는 상기 이미징 시스템의 임펄스 응답이며, 즉, 이것은 조명의 포인트상의 중심에 있는 초점 위치이다.

아래에서 설명하는 바와 같이, 이것은 상기 초점면의 업스트림(upstream)에 있는 샘플에 의해 유도된 수차들을 정량화하고 특성화하는 것을 가능하게 한다.

왜곡 행렬 D _ur 의 분석을 더 진행하기 위해, 유리하게는 한편으로는 주로 정반사인 샘플에 의한 반사의 경우를 고려하고, 다른 한편으로는 주로 무작위 산란 반사의 경우를 고려할 수 있다. 이 두 가지 모드는 수차 초점의 특징적인 크기를 나타내는 파라미터 δ_A의 함수로서 이종 매체와 관련된 장애 포텐셜(disorder potential)의 공간 변화 척도 L 특성에 의해 구별될 수 있다. 보다 정확하게는, 2차원 무작위 위상 스크린으로 모델링될 수 있는 수차체의 경우, δ_A는 다음과 같이 기술될 수 있다.

(수식 5)

여기서 l _c는 상기 수차체의 간섭 길이이고 z는 상기 수차체 평면과 초점면 PF 사이의 거리이다. L > δ_A인 경우, 정반사 모드의 근사치를 만들 수 있다(종종 광학 파장 모드의 경우). 반대의 경우, 샘플은 무작위 산란 반사를 일으킨다. 실제로는, 무작위 산란 반사와 정반사를 결합한 중간 케이스의 경우가 많다. 정반사의 경우, 사익 왜곡 행렬 D _ur 은 열들 간의 상관 관계들을 시각적으로 표시한다. 후술하는 바와 같이, 이러한 상관 관계들은 동일한 동평면 도메인에서 나오는 파면들에 대한 동일한 왜곡 패턴의 반복에 해당한다. 무작위 산란 반사를 일으키는 샘플, 예를 들어 스페클 유형(미해결 산란체들의 무작위 분포)의 경우, 이러한 동일한 상관 관계들을 나타내기 위해 왜곡 행렬 D _ur 의 정규화된 상관 행렬을 분석하는 것이 가능하다. 어떤 경우이든, 아래에서 더 자세히 설명하겠지만, 예를 들어 특이값 분해(SVD: singular value decomposition)를 통해 초점면의 각 지점에 대한 수차체의 복소 투과율(complex transmittance)을 추출하여 시야에 포함된 각 동평면 도메인의 수차들을 최적으로 보정할 수 있다.

도 6a 내지 도 6c는 각각 예시적인 반사 행렬을 도시하며, 상기 해당 초점면 반사 행렬 및 상기 왜곡 행렬은 정반사(해상도 테스트 패턴)를 유발하는 샘플의 경우와 10 μm 디포커스 결함(defocus defect)에 대해 실험적으로 결정된다. 상기 실험 장치는 도 2에 설명되어 있다. 250 x 250 μm²의 시야는 N = 3136 초점 조명(4.5μm 공간 해상도)를 사용하여 스캔된다.

도 6a는 방출시 초점면(SP)과 수신시 동공 평면(OutP) 사이에서 측정된 반사 행렬 R _ur (이미지 61)의 위상을 도시한다. 이 행렬의 각 열에는 소정의 지점 r _in 에서 조명을 위해 동공 평면에 반사된 필드가 포함된다. 이미지(610)은 R _ur 의 열에 해당하는 이 복잡한 필드의 위상을 보여준다. 여기에서 측정된 위상은 이상적인 경우에 예상되는 필드의 위상, G ₀ (u _out , r _in )(611)과 크게 다르다. 수차들과 관련된 파면의 왜곡을 분리하기 위해, 예상되는 이상적인 위상(611)을 실험적으로 측정된 위상(610)에서 뺄 수 있다. 이렇게 획득된 위상 마스크(612)는 왜곡 행렬 D _ur (수식 2)의 열에 해당한다. 이는, 현미경 대물렌즈를 통해 입사파와 반사파에 의해 겪는 수차들을 함께 수집한다. 여기서, 이것들은 디포커스 결함의 특징인 프레넬 링들(Fresnel rings)이다.

초점면 반사 행렬 R _rr 은 도 6B(이미지(613))에서 (모듈러스로서) 보여진다. 상기 초점면 반사 행렬은 간단한 베이스를 변경으로 방출시 초점면(SP)과 수신시 초점면(OutP) 사이에서 측정된 반사 행렬 R _ur 을 기초로 획득된다. 시야의 중심에 입사파를 집속하기 위한 초점 스폿(이미지(614))는 초점면 반사 행렬 R _rr 의 중앙 열로부터 획득된다. R _rr (이미지(613))의 다이애그널(diagonal) 외부의 에너지 분산 및 하나의 픽셀(즉, 해상도 셀)을 넘어서는 초점 스폿(이미지(614))의 확산은 여기에 설명된 실험에 존재하는 수차들의 수준을 설명하고 정량화한다.

반사 행렬 R _ur 에 기초하여 형성된 왜곡 행렬 D _ur 의 위상은 도 6c에 도시되어 있다(이미지(62)). 이는, 이미지(621)에 표시된 일부 요소의 클로즈업에서 알 수 있듯이, 행들 또는 열들을 따라 상당한 상관 관계를 나타낸다. 상기 열들을 따른 상기 상관 관계는 상기 파면의 왜곡과 객체의 반사율이 초점 포인트 r _in 의 함수로 느리게 변한다는 사실과 관련이 있다. 이미지(622 및 623)은 2차원 형태로 표시된 두 개의 별개의 D _ur 의 열들과 관련된 위상 왜곡들을 보여준다. 이 두 이미지 간의 유사성은 디포커스 결함의 공간 불변 특성을 입증한다. 이것은, 시야의 이러한 포인트들이 동일한 파면 왜곡과 관련되어 있음을 의미한다. 즉, 이들은 동일한 동평면 도메인에 위치한다. 행렬 D _ur 의 행들 사이의 상관 관계들은 디포커스 결함과 관련된 수차 법칙(프레넬 링들(Fresnel rings))의 결정론적 특성(deterministic nature)에 내재되어 있다.

여전히 정반사를 유발하는 샘플의 가정 하에, 상기 관찰 평면에서 하나 이상의 수차 법칙들의 매핑을 결정하기 위해, 특히 샘플의 반사율의 매핑을 결정하기 위한 왜곡 행렬의 예시적인 사용이 아래에 설명된다.

이를 위해, 상기 왜곡 행렬의 불변량들, 즉, 상기 시야의 상기 동평면 도메인들 상에서 공간적으로 불변성인 수차 법칙들을 찾는다. 예를 들어, 특이값 분해(또는 “SVD”) 또는 주성분 분석(“PCA”: principal component analysis)과 같은 이러한 행렬의 불변량들을 검색하기 위한 다양한 방법이 당업자에게 알려져 있다.

특이값 분해는 행렬의 행들 또는 열들 간의 상관 관계를 추출하는 강력한 도구이다. 수학적으로, 행렬 D _ur 의 SVD, 크기 N² × N²는 다음과 같이 작성된다.

D _ur = U×Σ×V ^† (수식 6)

U 및 V는 크기가 N² × N²인 단위 행렬들이며, 열들 U _i 및 V _i 는 출력 및 입력 고유벡터에 해당한다. 지수 †는 컨쥬게이트 전치 행렬을 나타낸다. 각 출력 고유벡터 U _i 는 벡터 u _out 로 식별되는 동공 평면에서 정의된다. 따라서, 각 입력 고유벡터 V _i 는 벡터 r로 식별되는 초점면에서 정의된다. Σ는 다이애그널 요소들이 0이 아닌 크기 N² × N²의 행렬이다.

(수식 7)

행렬 Σ의 다이애그널 요소들은, 실수이고 양수이며 내림차순으로 분류된 행렬 D _ur 의 특이값들 σ_i이다.

(수식 8)

따라서, 행렬 D _ur 의 계수들 D(u _out , r _in )는 다음 합으로 작성된다.

D(u _out, r _in ) =

(수식 9)

SVD는 주로 행렬을 신호 서브공간(행들 또는 열들 사이의 유의미한 상관 관계를 특징으로 하는 행렬) 및 노이즈 서브공간(행들 또는 열들 간의 상관 관계가 없는 무작위 행렬)인 두 개의 서브공간으로 분해한다. 상기 신호 서브공간은 가장 큰 특이값들과 연관되고, 상기 노이즈 서브공간은 가장 작은 특이값들과 연관된다. 한편으로, D의 SVD는 다중 산란 이벤트들로 인해 유도된 반사된 필드의 비간섭성 기여와 실험 노이즈를 모두 포함하는 노이즈 서브공간을 필터링할 수 있도록 한다. 반면에, 신호 서브공간의 각 특이 상태(singular state)는 출력 고유벡터 U _i 에 따라, 입력 고유벡터 V _i 에 의해 식별될 이미지의 각 영역에 대해 상기 동공 평면에서 파동에 의해 발생한 왜곡을 추출할 수 있도록 한다.

도 7a 내지 도 7c는 각각 위에서 설명한 실험 조건들(도 6a 내지 도 6c) 하에서, 및 이미지(62)(도 6c)에 표시된 왜곡 행렬 D _ur 을 기초로, 정규화된 특이값들의 스펙트럼, 제1 출력 고유벡터 U ₁ 의 위상, 및 디포커스 결함(defocus defect)을 가정한 제1 입력 고유벡터 V ₁ 의 모듈러스를 도시한다.

도 7a에 도시된 바와 같이, 정규화된 특이값들의 분포는 제1 특이값 σ₁에 의해 지배된다. 연관된 고유벡터들 U ₁ 및 V ₁ 는, 도 7b(U ₁ 의 위상) 및 도 7c(V ₁ 의 모듈러스)에 나타나 있다.

디포커스 결함의 경우, 파면의 왜곡들은 시야에서 초점 포인트의 함수로서 변하지 않는다. 즉, 상기 시야에는 단지 하나의 동평면 도메인만 포함된다. 정반사의 경우, 출력 고유벡터 U ₁ 가 나가고 돌아올 때 누적되는 수차체로 인해 유발되는 왜곡을 제공함을 보여줄 수 있다.

(수식 10)

및

를 사용하면, 상기 파면이 나가고 돌아올 때 발생하는 상기 왜곡들이 상기 동공 평면으로 투영된다(벡터 u로 식별됨). 이전 수식에서 디랙 분포(Dirac distribution) δ는 정반사 모드에서, 입구에서 동공 평면의 포인트

에서 나오는 파동이 출구에서

에 초점을 맞춘 반사파를 발생시킨다는 사실을 반영한다. 도 7b에서, 제1 출력 고유벡터 U ₁ 의 위상은 실제로 디포커스 결함과 관련된 수차 법칙의 특징인 프레넬 링들(Fresnel rings)의 형태를 취한다.

또한, 입력 고유벡터 V ₁ 가 부분에 대해, 객체의 반사율

에 직접 액세스할 수 있음을 다음과 같이 보여줄 수 있다.

(수식 11)

도 7c는 입력 고유벡터

에 의해 주어진 객체의 이미지를 보여준다. 이 보정된 이미지는 도 8c에 표시된 디포커스 결함이 있는 원본 이미지와 비교된다.

측정된 반사 행렬 R _ur (61, 도 6a)은 출력 고유벡터 U ₁ 를 따라 추출된 파면 왜곡의 위상 컨쥬게이션(phase conjugation)에 의해 보정될 수 있다. 물리적으로, 위상 공액 연산은 측정된 왜곡과 반대 위상에 의해 변조된 파면을 다시 방출하는 것으로 구성된다.

그런 다음, 이 연산을 통해 파동의 나가는 및 돌아오는 동안 축적된 위상 왜곡들을 완벽하게 보정할 수 있다. 수학적으로, 상기 위상 컨쥬게이트 연산은 행렬 R _ur 에 다음 보정을 적용하여 여기에서 수행된다.

(수식 12)

여기서,

는

의 위상을 나타낸다.

보정된 행렬

는 동공 평면(OutP)에서 이미지 평면(ImP)으로 출구에서 베이스를 변경함으로써

로부터 추론될 수 있다. 보정된 공초점 이미지

는 행렬

의 다이애그널(diagonal)(

)로부터 추론될 수 있다.

(수식 13)

는 샘플의 반사율

에 대한 신뢰할 수 있는 추정치이다.

도 8a 내지 도 8는 보정 전후의 반사 행렬들과 각각의 경우에 획득된 공초점 이미지들을 각각 비교함으로써 이 보정의 효과를 도시한다. 도 8a는 보정 전의 초점면 반사 행렬

(이미지(811))과 출구에서의 상기 동공 평면으로부터 벡터

를 적용한 후의 반사 행렬

(이미지(813))을 비교한다.

와 비교하여

의 다이애그널 주변의 에너지 농도는 수차 보정 효과를 보여준다. 반사 행렬

(이미지(811))의 열로부터 추론된 초점 스폿(812)는 보정된 반사 행렬

(이미지(813))의 동일한 열로부터 추론된 초점 스폿(814)(도 8b)와 비교된다. 회절에 의해서만 크기가 제한되는 초점 스폿(이미지(814))를 얻는 것은, 또한 수차 보정의 품질을 입증한다. 보정된 행렬

로부터 추론된 공초점 이미지(도 8d)는 행렬

로부터 추론된 공초점 이미지(이미지 8c)와 비교된다. 획득된 이미지(도 8d)는 벡터 V ₁ (도 7c)에 의해 제공되는 이미지와 동등한 품질이다. 따라서, 도 8은 수차들이 존재하는 상태에서 정반사 객체를 이미징하기 위한 접근법의 성공을 도시한다.

도 6 내지 도 8에 의해 예시된 이전 예에서 보여진 왜곡 행렬의 실험적 결정 및 분석의 예는, 특히 디포커스 결함에 대한 수차 법칙의 계산을 포함하고, 시야에는 단 하나의 동평면 도메인만 포함된다. 이제 우리는 시야가 복수의 동평면 도메인을 포함하는 일반적인 경우에 관심이 있다.

도 9a 내지 도 9d는 이 경우에 플라스틱 필름에 의해 수차체가 형성되는 예를 도시한다. 도 9a의 인셋(inset)(90)에 도시된 바와 같이, 플라스틱 수차 필름(40)은 현미경 대물렌즈(30)와 샘플이 배열된 레벨에서의 초점면 FP 사이에 위치한다(해상도 테스트 패턴).

플라스틱 필름의 거칠고 불규칙한 표면은, 입사 및 반사 파면들의 강한 왜곡들을 유발한다. 상기 반사 행렬의 측정은 N = 441 입사 조명들에 대해 수행되어 공간 간격 δr = 12 μm로 240 × 240 μm²의 시야를 이미지화할 수 있다.

상기 수차체의 효과는 특히 상기 초점면에서 측정된 반사 행렬

에서 볼 수 있다(911, 도 9b). 이상적인 경우에 이 행렬은 거의 다이애그널(near-diagonal)이지만 여기서는 이 다이애그널 외부에서 반사된 필드의 상당한 확산이 관찰된다. 이러한 조건들 하에서, 행렬

로부터 추론된 특성 초점 스폿(도 9b, 911)의 무작위 측면에서 알 수 있듯이, 상기 이미징 시스템의 포인트 확산 함수가 크게 저하된다. 이 반사 행렬에서 추론된 공초점 이미지(도 9b, 913)는 또한 상기 해상도 테스트 패턴의 반사율과 무관한, 완전히 무작위적인 양상을 나타낸다.

에서 추론된 왜곡 행렬(수식 2)은 SVD 형태로 분석된다. σ₁로 정규화된 상기 특이값들의 스펙트럼은 도 9c에 나타나 있다. 특이값들의 연속체가 얻어지며, 선험적으로 시야에 복수의 동평면 도메인이 포함되어 있다는 증거이다. 동공 평면들과 초점면들에 있는 세 개의 제1 고유벡터는 각각 이미지(91~93 및 94~96)에 표시된다(도 9c). 출력 고유벡터들 U _i 는 디포커스 결함의 경우와 달리, 파면에 의해 유도된 왜곡이 복잡하고 높은 공간 주파수들과 연관되어 있음을 보여준다(도 7b).

입력 고유벡터 V _i 는 서로 다른 동평면 도메인(이미지(94~96))에 걸쳐 상기 초점면에서 객체를 분해한다. 따라서, 상기 동공 평면에서 서로 다른 수차 법칙들 U _i 과 관련된다(이미지(91~93)). 연관된 고유값

에 의해 가중치가 부여된 고유벡터들 V _i 의 모듈러스의 선형 조합은 최종적으로 업스트림(upstream)에서 발생한 수차에 대해 보정된 시야의 이미지에 대한 액세스을 제공한다.

(수식 14)

여기서 Q는 시야에 포함된 동평면 도메인의 수이다. 세 개의 제1 고유벡터 V _i 의 조합은 해상도 테스트 패턴(이미지(99))의 고 대비 및 잘 분해된 이미지를 제공한다. 원본 공초점 이미지(이미지(97))과의 비교는 인상적이고 상기 접근법의 성공을 보여준다. 국부 수차 보정(이미지(99))의 이점들은 또한 종래의 적응 광학 기술(종래 기술)에 의해 얻어지는 이미지(98)와의 비교에 의해 강조된다.

일반적으로 확장된 객체에 의해 발생하는 정반사의 경우를 다룬 후, 이제 무작위 산란 반사 문제를 다룬다. 무작위 산란 반사는 일반적으로 저분해된 산란체들의 무작위 분포로 인해 발생하며, 이는 특히 생물학적 조직들에서 발생하는 상황이다. 따라서, 여전히 상기 왜곡 행렬을 기초로 하는 수차 보정에 대한 반복적 접근(사후 처리)가 적합하다.

프로세스의 단계 #0은 위에서 제시된 상기 정반사 케이스와 동일하다. 행렬 R _ur 는 왜곡 행렬 D _ur 의 제1 고유벡터 U ₁ 의 위상의 컨쥬게이트에 의해 출력에서 보정된다(수식 10). 보정된 결과 행렬은

로 표시된다. 이 초기 단계를 통해 전체 시야에 걸쳐 수차들에 대한 전체적인 보정을 수행할 수 있다.

단계 #1은 이번에 입사동의 평면과 출구 초점면 사이에서 정의된

로부터 추론된 새로운 왜곡 행렬

을 다시 계산하는 것으로 구성된다. 객체의 무작위 특성은 이제 동공 평면에서

의 상관 행렬, 즉,

=

. 를 분석하는 것이 더 합리적이라는 것을 의미한다. 이 행렬

의 위상,

에 대한 특이값 분해는, 시야의 각 동평면 도메인과 관련된 새로운 일련의 고유벡터

를 제공한다. 따라서, 해당 반사 행렬은 입력시 보정될 수 있다.

(수식 15)

다음 단계들은 입력(짝수 반복)과 출력(홀수 반복)에서 잔류 수차들(residual aberrations)을 교대로 보정하여 동일한 프로세스를 재현하는 것으로 구성된다. 그러나, 각 단계에서, 상기 보정은 여전히 상기 동공 평면에서 상기 왜곡 행렬의 상관 행렬

의 위상의 제1 고유벡터

를 사용하여 수행된다. 특히, 아이소플라나티즘(isoplanatism)의 선택은 단계 #1에서 이루어진다. 상기 보정이 입력 또는 출력에서인지에 따라, 동공 평면

의 상관 행렬은 짝수 n(출력)에 대해

=

, 홀수 n(입력)에 대해

=

와 같이 주어진다. 상기 프로세스의 각 단계에서, 초점면에 표현된 반사 행렬

의 다이애그널로부터 시야의 이미지가 추론될 수 있다. 실제로, 선택된 동평면 도메인에 대한 최적의 보정을 얻기 위해 몇 번의 반복만으로도 충분하다. 각 동평면 도메인에 대해 결정된 상기 보정들을 결합함으로써 시야 전체의 이미지를 얻을 수 있다.

도 10은 반사율이 절대값 측면에서 해상도 테스트 패턴의 객체를 포함하지만 그 위상이 무작위 확산 반사 모드를 유발하는 수치 시뮬레이션을 통해 본 개시에 따른 방법의 이점을 보여준다. 상기 반사 행렬은 초점 스폿의 5배 정도의 확대를 생성하는 수차체 및 시야의 1/10번째를 덮는 동평면 도메인들에 대해 시뮬레이션된다. 도 10a는 수차체들에 따른 초기 공초점 이미지를 도시한다. 도 10b는 벡터 U ₁ 를 사용하여 수차들에 대한 전체적인 보정을 허용하는 단계 #0에 후속하는 반사 행렬

의 공초점 이미지를 도시한다. 다음 단계에서는, 정규화된 상관 행렬

의 고유벡터

의 랭크 i에 의해 동평면 도메인이 선택된다. 도 10c 및 도 10d는 상기 벡터들

및

를 기초로 수차들에 대한 보정들을 반복한 후 얻은 공초점 이미지를 보여준다. 예상대로, 이러한 이미지들은 사야의 별개의 동평면 도메인들과 연관되어 있으며 이들 각 도메인에서 객체의 충실한 이미지를 제공한다.

샘플의 각 지점에서 상기 수차 법칙들에 대한 지식은 이미징뿐만 아니라 샘플의 어느 지점에서나 광의 초점을 맞추는 데 유용할 수 있다. 예를 들어, 도 2의 실험 장치에서 SLM에, (1) 목표 지점에 초점을 맞추기 위해 상기 모델 매체와 관련된 기하학적 위상 법칙, 및 (2) 목표 지점을 포함하는 동평면 도메인에 대한 왜곡 행렬을 기초로 결정된 상기 수차 법칙의 컨쥬게이트를 결합하는 위상 변조를 모으는 것이 문제일 수 있다. 정반사 모드에서, 적용된 수차 보정 법칙은 목표 지점을 포함하는 동평면 도메인 V _i 과 관련된 왜곡 행렬 D _ur 의 출력 고유벡터 U _i 의 위상에 해당한다. 무작위 산란의 경우, 샘플 입력에서 얻은 수차들에 대한 모든 보정을 벡터

에 따라 모으는 문제가 된다.

(수식 16)

매체의 반사율 또는 샘플의 각 지점에서 수차 법칙들에 대한 지식을 넘어서, 왜곡 행렬을 사용하면 분석된 샘플의 광학 인덱스에 대한 3D 단층촬영을 수행할 수 있다. “초점면” 왜곡 행렬 D _rr 로부터, 샘플의 포인트 확산 함수 함수와 동평면 도메인들에 액세스할 수 있다. 이미지들을 직접 수정하는 대신, 반사 행렬로부터 왜곡 행렬 계산의 기초가 되는 참조 매체를 변경하는 것이 아이디어이다. 이는 참조 매체가 더 복잡한 모델(예: 다층 매체)의 방향으로 변경되도록 만들어지는 왜곡 행렬에 대한 반복적인 접근법으로 이어져 포인트 확산 함수의 공간적 범위를 감소시키고 동평면 도메인들의 크기를 증가시킨다. 샘플에 더 깊고 깊숙이 들어감으로써, 상기 참조 매체가 현실에 가까울수록 더욱 충실한 매체의 반사율 이미지를 획득하면서, 굴절률의 3차원 맵을 점진적으로 재구성할 수 있다.

상기 “초점면” 왜곡 행렬 D _rr 는 시야의 어느 지점에서나 이미징 시스템의 포인트 확산 함수에 대한 액세스를 제공한다. 따라서, 수차들을 보정한 후에도, 행렬 D _rr 의 각 열에 잔류 비간섭성 배경(residual incoherent background)이 남아있다. 이러한 비간섭성 배경은 초점면의 업스트림(upstream)에서 발생하는 여러 산란 이벤트들에 의해 유발된다. 따라서, 다중 산란 속도

는 D _rr (

)의 중앙 열상의 신호 레벨에 대한 비간섭성 배경(

)의 레벨의 비율을 기초로 국부적으로 측정될 수 있다.

(수식 17)

여기서, 기호

는 중앙 요소들 (

)을 제외한 D _rr 의 각 열을 따른 평균을 나타낸다. 또한, 예를 들어, 도 2의 간섭계에서 참조 암을 제어하여 탄도 시간보다 더 오래 걸리므로, 상기 포인트 확산 함수는 또한 매체 내에서 확산 후광(diffusive halo)의 성장을 추적하고 그로부터 다중 산란파의 이동 파라미터들에 대한 국부 측정을 유도할 수 있다(산란 계수 또는 평균 자유 이동 경로). 단시간에 확산 후광을 연구하면 무작위 산란 광 단층 촬영에서 종래 기술에 의해 얻은 것보다 더 미세한 공간 해상도에 액세스할 수 있다[A. Badon 등의, Optica 3, 1160-1166, 2016].

하나 이상의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 특성화 방법은 또한 반사된 필드의 정반사 성분 및/또는 이종 매체의 다양한 인터페이스들 사이에서 발생하는 다중 반사들의 식별 및/또는 제거를 포함한다. 사실, 리블렉터는 완벽하게 정반사되지 않으므로 그 무작위 산란 성분은 수식 12 및 15를 반복하여도 최적으로 수정되지 않는다. 또한, 정반사기는 그것의 인터페이스들 사이에 다중 반사들을 일으켜 이미지를 흐리게 할 수 있다. 따라서, 매질에 의해 반사된 필드의 반사 및 무작위 산란 성분들을 분리할 수 있어야 한다. 이를 위해, 상기 왜곡 행렬은 입력시 및 출력시 모두에서 상기 수차 보정 평면에 의해 정의된 베이스로 투영될 수 있다. “푸리에 평면” 왜곡 행렬

는 다음과 같은 베이스 변경을 통해 원래의 왜곡 행렬

로부터 얻어질 수 있다.

(수식 18)

따라서, 이전 수식은 다음과 같이 행렬 계수들의 측면에서 다시 작성된다.

(수식 19)

상기 정반사 및 다중 반사 성분들은 정확한 쌍인

및

에 대해 다음과 같이 나타난다.

(수식 20)

여기서,

는 정반사 객체의 공간 주파수이다. 예를 들어, 정반사기가 광축에 수직으로 배열된 경우

는 0이다. 따라서, 정반사 및 다중 반사 성분들은 쉽게 필터링될 수 있으며 유발된 수차들을 정확하게 결정하고 그것들을 보정하기 위해 반사된 필드의 무작위 산란 성분(스페클)만 유지된다. 무작위 산란 성분의 이러한 식별은 상기 반사 행렬을 보정하고 매체의 최적 이미지를 얻기 위해 입력 및 출력에서 반복적으로 적용되는 수차 법칙들에 대한 직접적인 액세스를 허용하며(수식 12 및 15에 따라 출력 및 입력에서 보정들을 반복), 이는 상기 정반사 성분이 우세한 경우에는 불가능하다[수식 12에 따라 출력에서 적용되는 단일 보정]. 또한, 푸리에 평면에서 상기 왜곡 행렬을 필터링하면 예를 들어 인터페이스들에 근접한 이미지(매체의 인터페이스들 간의 다중 에코들)를 오염시키는 다중 반사들을 제거할 수 있다.

위에서 설명한 것처럼, 본 출원의 “배경기술”부분에서 인용된 A. Badon 등의 논문에 기술된 바와 같은 실험 셋업은, 상기 초점면의 컨쥬게이트 평면과 관찰 평면, 예를 들어 현미경 대물렌즈의 동공 평면과 컨쥬게이팅된 평면 사이에 정의된 베이스에서 시야의 반사 행렬을 결정하는 데 사용될 수 있다. 상기 반사 행렬의 각 열은 샘플에 의해 반사된 파동과 초점면의 소정의 지점에 초점을 맞춘 입사파에 대한 참조파 사이의 관찰 평면에서 측정된 교차 간섭 항(cross-interference term)에 해당한다. 그 다음, 상기 왜곡 행렬은 상술한 바와 같이, 결정된 반사 행렬 및 참조 반사 행렬에 기초하여 계산될 수 있다.

물론, 종래 기술로부터 알려진 다른 셋업들이 상기 반사 행렬의 측정에 사용될 수 있다. 예를 들어, Kang 등의 논문(“Imaging deep within a scattering medium using collective accumulation of single-scattered waves" Nat. Photonics 9, 253-258 (2015))에서, 광학 셋업을 통해 입력 및 출력 모두에서 동공 평면의 상기 반사 행렬을 측정할 수 있다. 초점면과 컨쥬게이팅된 평면으로 투영하기 위해 입력에서 베이스 변경을 적용함으로써, 이러한 반사 행렬을 기초로 왜곡 행렬을 구성할 수 있다.

출원인들은 또한 반사 행렬의 사전 결정을 거치지 않고, 제1 왜곡 행렬의 직접 측정을 허용하는 실험 셋업들을 구현할 수 있음을 보여주었다.

예시적인 셋업들은 도 11 내지 도 13에 의해 제시된다.

도 11a 및 도 11b는 이종 매체의 비침습적 광학 특성화를 위한 시스템의 제1 예시적인 실시예를 제시하여, 왜곡 행렬의 실험적 결정을 허용한다. 이 예에서, 광원은 공간적으로 간섭되고 상기 왜곡 행렬은 초점면이 있는 소스 평면 컨쥬게이트와 현미경 대물렌즈의 출사동 OutP의 평면이 있는 관찰 평면 컨쥬게이트 사이에 정의된 베이스로 측정된다. 물론, 상술한 바와 같이, 다른 관측 평면이 선택될 수 있다.

보다 구체적으로, 도 11a 및 도 11b에 개략적으로 도시된 시스템(100)은 이종 매체로 형성된 샘플 SMP가 위치하도록 의도된 초점면 FP를 정의하는 현미경 대물렌즈(30)을 포함한다.

시스템(100)은 현미경 대물렌즈(30)를 통해 샘플의 소정의 시야를 조명하도록 의도된 일련의 입사 광파를 방출하도록 구성된 발광 장치(110)를 포함한다. 보다 정확하게 이 예에서, 발광 장치(110)는 공간적으로 간섭성인 광원(미도시)을 포함하고, 예를 들어 빔 스플리터(113)에 의해 공간 광 변조기(SLM)(112)를 조명하기 위해 렌즈(111)의 물체 초점면 또는 소스 평면(SP)에 위치한다. SLM은 동적 회절 격자 역할을 하며 현미경 대물렌즈(30)의 초점면의 동일한 수의 초점 포인트들 r _in 에 초점을 맞추도록 의도된 일련의 평면파들을 형성한다. 따라서, 도 11a 및 도 11b는, 각각 이미지들(114a, 114b)에 의해 위상이 각각 표현되고 상기 현미경 대물렌즈의 초점면 FP의 두 개의 초점 포인트 r _in,a 및 r _in,b 에 초점을 맞추도록 의도된 2개의 평면파의 SLM(112)에 의한 형성을 각각 도시한다. 공간적으로 간섭성인 광원은 유리하게는 넓은 스펙트럼 대역 광원, 예를 들어 초발광(superluminescent) 다이오드 또는 펨토초(femtosecond) 레이저이다.

시스템(100)은 간섭계 장치(120), 이 예에서는 리니크(Linnik) 간섭계, 2차원 획득 검출기(130), 예를 들어 CCD 또는 CMOS 카메라, 및 특히 검출기(130)로부터 오는 광전자 신호들을 수신하는 컴퓨터 유닛(140)을 더 포함한다.

리니크 간섭계(120)는 객체 암 및 참조 암의 형성을 허용하는 빔 스플리터 소자(121)를 포함한다. 상기 객체 암에는 샘플 SMP가 배열된 초점 포인트에 현미경 대물렌즈(30)가 위치한다.

상기 참조 암에는 현미경 대물렌즈(30)와 동일할 수 있는 제2 현미경 대물렌즈(122), 및 상기 제2 현미경 대물렌즈(122)의 초점면에 배열된 참조 미러(123)이 위치한다. 리니크 간섭계(120)는 현미경 대물렌즈(30 및 122)의 초점면에 집속된 입사파를 스캔하기 위해 발광 장치(110)에 커플링된다. 2차원 획득 검출기(130)를 사용하여 상기 현미경 대물렌즈의 동공 평면의 각 초점 포인트에 대해 객체와 상기 참조 암들 사이에서 나오는 빔들 사이의 간섭이 기록된다(인터페로그램). 각 초점 포인트 r _in 에 대해 참조 미러의 서로 다른 위치들에 대해 복수의 인터페로그램이 기록된다. 위상 이동 간섭계[A. Dubois 등의, “High resolution full field optical coherence tomography with a Linnik microscope, Appl. Opt. 41, 805 (2002)]를 통해, 컴퓨팅 유닛(140)은 샘플 SMP(각각 도 11a, 도 11b에서 131a, 131b)에 의해 반사된 복소 전자기장과 참조파 사이에의 교차 간섭 항(cross-interference term)을 재구성하며, 이는 왜곡 행렬 D _ur = [D (u _out, r _in)]의 열에 해당한다. 상세하게는, 상기 객체 암으로부터 오는 필드

와 상기 참조 암에서 오는 필드

간의 간섭을 측정함으로써, 초점면과 컨쥬게이팅된 이미지 평면이 아닌 동공 평면에서, 출원인들은 왜곡 행렬 D _ur 을 직접 결정할 수 있음을 보여주었다.

(수식 21)

상기 현미경 대물렌즈와 상기 미러 사이에는 아무것도 없으며, 상기 참조 매체는 공기이다. 현미경 대물렌즈와 미러 사이에 겔이 도입되면, 상기 참조 매체는 생물학적 조직에 가까운 광학 인덱스를 가진 균일한 매체가 된다.

컴퓨팅 유닛(140)은 이전 예들에서 상세히 설명된 바와 같이, 특히 얻어진 상기 왜곡 행렬에 기초하여, 샘플을 형성하는 이종 매체의 물리적 파라미터의 적어도 하나의 매핑을 결정하도록 추가로 구성된다. 컴퓨팅 유닛(140)은 특히 SLM 등을 제어하기 위한 제어 유닛(미도시)과 연결될 수 있다. 상기 컴퓨팅 유닛과 상기 제어 유닛은 동일한 장치(컴퓨터)에 통합될 수 있다.

도 11a 및 도 11b에 도시된 광학 특성화 시스템은 반사 행렬의 사전 결정없이 왜곡 행렬의 실험적 결정이 가능하다는 장점이 있으며, 반사 행렬에 대한 아다마르(Hadamard) 제품은 수치적이 아닌 물리적으로 수행되기 때문에 계산 시간을 절약할 수 있도록 한다. 간섭계로 얻은 것과 동일한 정도의 정밀도를 수치적으로 달성할 수 없기 때문에 정밀도도 향상된다.

도 12 및 도 13은 이종 매체의 광학적 특성화를 위한 두 가지 다른 예시적인 시스템들을 나타내며, 이는, 또한 왜곡 행렬을 직접(반사 행렬의 사전 결정 없이) 결정할 수 있도록 하며, 도 11a, 도 11b에 예시된 시스템의 구현에 필요한 초점면 스캐닝을 생략할 수 있도록 한다.

도 12 및 도 13에 설명된 시스템들은 공간적으로 비간섭성인 조명(예: 발광 다이오드, 할로겐 램프 등)을 사용하며 예를 들어 [A. Dubois 등의, "High resolution full field optical coherence tomography with a Linnik microscope, Appl. Opt. 41, 805 (2002).]에 설명된 대로, 전장(full-field) OCT에서 파생된다.

상기 언급된 참고 문헌에 예를 들어 설명된 전장 OCT는 예를 들어 현미경 대물렌즈들이 두 개의 암(리니크 구성이라고 함)에 배치된 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer)를 포함하는 실험 장치의 사용을 기반으로 한다. 상기 간섭계 조명 장치는 텅스텐 필라멘트 할로겐 램프 또는 발광 다이오드(LED)를 사용한다. 이러한 유형의 매우 넓은 스펙트럼으로 인해, 간섭계의 경로 차이가 0에 매우 가까운 조건에서 간섭이 발생한다. 간섭계의 참조 암의 길이는 이미지화될 샘플 수준에서, 광원의 스펙트럼 폭(일반적으로 1μm)에 의해 설정된 두께 슬라이스를 결정한다. 이 슬라이스에 있는 샘플의 구조에서 반사된 광만이 간섭을 생성한다. 이러한 구조들은 상기 간섭 신호의 진폭을 추출할 수 있는 경우 이미지화할 수 있다. 이를 위해, CCD 또는 CMOS 행렬 어레이 검출기에 의해 획득되는 복수의 간섭계 이미지가 결합되고, 이들은 상기 참조 미러의 진동에 의해 상호 위상 이동된다. 따라서, 실시간(수백 헤르츠 속도)의 간섭성 볼륨의 이미지, 즉, 횡방향으로 배향된 얇은 슬라이스의 이미지가 얻어진다. 전장 OCT의 횡방향 해상도는 현미경으로 제공되는 이미지들의 해상도와 유사하다(예: 약 1μm). 상기 축방향 해상도는, 현미경 대물렌즈의 피사계 심도(depth of field)가 아닌, 광원의 스펙트럼 폭에 의해 설정되기 때문에 기존 현미경보다 훨씬 우수하다. 전장 OCT의 장점들 중 하나는, 예를 들어 공초점 현미경의 경우와 같이 시야를 스캔하지 않고도 한 번의 측정으로 매체 슬라이스의 이미지에 액세스할 수 있다는 것이다. 전장 OCT에서, 카메라의 각 픽셀은 참조 암의 초점면의 포인트 및 객체 암의 초점면의 포인트와 컨쥬게이팅된다. 따라서, 이 두 포인트들 간의 상호 간섭 함수를 측정한다. 각 초점면은 공간적 및 시간적으로 비간섭성인 필드에 의해 조명되기 때문에, 상기 상호 간섭 함수는 이러한 컨쥬게이트 포인트들 사이의 임펄스 응답(또는 그린함수(Green's function))에 대한 액세스를 제공한다. 따라서, 전장 OCT의 각 픽셀은 포인트 소스와. 소스 및 이미지 평면들에서 동일한 위치 r에 배치된 포인트 감지기 사이에서 측정된 임펄스 응답에 해당한다. 본 출원에서 채택된 행렬 형식으로 돌아가서, 전장 OCT 유형 장치는 샘플과 관련된 반사 행렬 R _rr 의, 모든 다이애그널 요소들 R(r _in ,r _in )을 동시에 획득할 수 있도록 한다.

본 개시의 일 예시적인 실시예에 따르면, 상기 반사 행렬 전체에 접근하기 위해, 상기 임펄스 응답들은 조명 r _in 과 감지 r _out 의 별개의 포인트들 사이에서 측정된다. 이를 위해, 객체와 상기 간섭계의 참조 암들에서 나오는 필드들이 서로에 대해 변환된다.

이것은 도 12 및 도 13에 도시된 원래 시스템들에서 구현되는 것이다.

도 12에 개략적으로 도시한 시스템(101)은 샘플의 소정의 시야를 현미경 대물렌즈(30)를 통해 조명하도록 의도된 일련의 입사 광파들을 방출할 수 있는 조명 장치(110)를 포함한다.

그러나, 이 예에서, 조명 장치(110)는 전장 OCT에서와 같이 공간적으로 비간섭성인 광원(115), 예를 들어 텅스텐 필라멘트 할로겐 램프 또는 발광 다이오드를 포함하며, 이 예에서, 렌즈들(116)의 초점 포인트에 배치되어 입사 광파를 형성한다. 실제로, 예를 들어 K

hler 조명 시스템을 통해 균일한 조명이 구현된다.

시스템(101)은 전장 OCT에서와 같이, 조명 장치로부터 나오는 입사파를 참조 암(150) 및 객체 암(160)의 방향으로 분할하는 것을 가능하게 하는 빔 스플리터 소자(121)를 갖는 저간섭 간섭계를 포함한다.

참조 암(150)에서, 입사파는 먼저 빔 스플리터(151)에 의해 제2 현미경 대물렌즈(152)의 초점면에 배치된 미러(153)로 보내진다. 현미경 대물렌즈(152)는 현미경 대물렌즈(30)와 유사할 수 있다. 미러(153)에 의해 반사된 파동은 빔 스플리터 요소(151)를 사용하여 어포컬(afocal)(155, 156)에 의해 현미경 대물렌즈(152)의 동공 평면과 컨쥬게이팅된 미러(154)를 향해 방향 전환된다. 미러(154)는 그것의 경사가 카메라상의 참조 빔을 공간적으로 시프트시킬 수 있도록 할 것이기 때문에 상기 장치의 주요 발명 요소를 구성한다.

상기 장치의 객체 암은 동일한 경로 사이를 얻기 위해 상기 참조 암과 대칭이다. 상기 입사파는 빔 스플리터 요소(161)에 의해 샘플 SMP로 전송된다. 상기 샘플 SMP 및 미러(153)는 광학적으로 컨쥬게이트된 평면들에 있다. 상기 반사된 파동은 빔 스플리터(161)에 의해, 어포컬(afocal) (165, 166)에 의해 현미경 대물렌즈(30)의 동공 평면과 컨쥬게이팅되고 상기 참조 암의 미러(154)와 컨쥬게이팅된 미러(162)로 재지향된다. 기울어질 수 있는 거울(154)과 달리, 이것은 광축에 수직으로 유지된다.

따라서, 참조 암(150) 및 객체 암(160)의 출구에서, 상기 참조 미러와 샘플에 의해 각각 반사된 파동들은 초점면과 컨쥬게이팅된 평면에서 공간적으로 시프트된다. 이렇게 형성된 반사파들은 빔 스플리터(132)에 의해 재결합된다. 렌즈(133)는 이들이 샘플의 이미지 초점면에 배치된 CCD 또는 CMOS 카메라(130)에 간섭하도록 할 수 있다. 미러(162)에 배치된 압전 소자(PZT)는, 위에서 언급한 참고 문헌에서 설명된 바와 같이, 상기 위상의 복수 값들, 예를 들어 3개 이상의 위상 값들에 대한 인터페로그램들을 획득함으로써 교차 간섭 항을 추출할 수 있도록 한다.

도 12에 도시된 바와 같이, 미러(154)의 경사는 참조 암 및 물체 암으로부터 오는 반사된 빔들이 초점면과 컨쥬게이팅된 평면에서 서로에 대해 공간적으로 시프트되도록 한다. 따라서 전장 OCT와 달리, 구별 포인트 r _in 와 r _out 사이의 임펄스 응답을 측정할 수 있다. 그들의 상대 위치 r' _out 는 상기 미러의 기울기에 의해 결정된다.

r' _out = r _out - r _in = G tan θ_x e _x + G tan θ_y e _y (수식 22)

여기서 θx 및 θy는 단위 벡터들 e _x 및 e _y 가 보유하는 축들에 대한 상기 미러의 경사각들이다. G = f′는 f′가 상기 카메라 앞에 배치된 렌즈(133)의 초점 거리인 시스템의 배율이다.

따라서, 출원인들은 각 경사각 (θ_x, θ_y)에 대해, 상기 참조 빔과 상기 객체 빔 사이에서 상대 위치 r' _out (식 22)에 대한 계수들 R(r _out - r _in , r _in )에 해당하는 행렬의 서브다이애그널(subdiagonal)이 기록된다는 것을 보여주었다(수식 22). 따라서 이 측정은

(수식 4) 이후 초점면에서 상기 왜곡 행렬을 직접 측정하는 것과 같다.

초점면에서 행렬 D _rr 의 각 열은 조명 r _in , 즉 포인트 r _in 에서 이미징 장치의 포인트 확산 함수를 중심으로 하는 초점 스폿 R(r _out - r _in , r _in )에 해당한다. 따라서, 도 12에 제시된 장치는 실제 공간에서 왜곡 행렬을 직접 측정할 수 있도록 한다. 상기와 같이, 생물학적 매질에 가까운 광학 지수를 갖는 겔이나 다른 물질이 참조 암에 도입되지 않는 한 상기 참조 매체는 공기이다.

행렬 D _rr 의 단순 푸리에 변환(simple Fourier transform)은 위에서 설명한 것처럼, 시야 및 관련 수차 법칙들의 동평면 도메인들을 결정하기 위해 출사동 평면으로 들어가 행렬 D _θr 를 획득할 수 있도록 한다. 행렬 D _rr 을 직접 획득하는 것은 반사 행렬 R _rr 의 간섭성 측정과 관련하여 큰 이점을 제공한다. 특히, D _rr 를 획득하는 데 필요한 측정 포인트들의 수는 대략 수차 가공된 초점 스폿에 포함된 분해능 셀들의 수 N_A = (δ_A/δ)²이다. 이는 시야의 크기와 무관하다. 반대로, 간섭성 접근법에는 N = (FOV/δ)² 수의 집속 조명들이 필요하다. 생물학적 매질의 일반적인 수차 레벨들의 경우, N_A ~ 10 이미지들의 획득은 도 12의 비간섭성 설정을 사용하여 상기 왜곡 행렬 전체에 액세스하기에 충분하다. 반대로, 1mm²의 일반적인 사야의 경우, A. Badon 등의 논문 및 Kang 등의 논문에 제시된 것과 같은 간섭성 설정으로 N = 10⁶ 픽셀들을 포함하는 시야를 스캔해야 한다.

본 개시에 따른 이종 매체의 광학적 특성화를 위한 또 다른 예시적인 시스템이 도 13에 개략적으로 도시되어 있다. 도 13에 제시된 시스템(102)은 도 12에 도시된 시스템보다 신호 대 잡음비 측면에서 더 컴팩트하고 효율적이다.

시스템(102)은, 도 12의 예에서와 같이, 렌즈(116)의 초점에 배치되고 현미경 대물렌즈(30)를 통해 샘플 SMP의 소정의 필드를 조명하도록 의도된 일련의 입사 광파들을 방출하기에 적합한 공간적으로 비간섭성인 광원(115)을 포함하는 조명 장치(110)를 포함한다. 시스템(102)은 또한 렌즈(133)의 초점 스폿에 배열된 2차원 획득 장치(130), 및 특히 검출기(130)로부터 오는 광전자 신호들을 수신하는 컴퓨팅 유닛(140)을 포함한다.

그러나, 이 예에서, 시스템(102)은 직렬로 배치된 2개의 간섭계를 포함한다. 제1 간섭계(170)는 예를 들어 에어 웨지(air wedge) 구성의 마이컬슨 간섭계(Michelson interferometer)로, 출력에서 서로에 대해 기울어지고 직교 편광을 갖는 두 개의 조명 빔을 생성할 수 있다. 제2 간섭계(참조(180))는, 예를 들어 편광 빔 스플리터(181)뿐만 아니라 각 암에 1/4 파장 플레이트들(182, 183)가 있는 리니크 간섭계(Linnik interferometer)이다. 어포컬(afocal) 시스템(191, 192)은 제1 간섭계(170)의 미러들(175 및 176)의 평면들을 제2 간섭계(180)의 현미경 대물렌즈들(30 및 184)의 동공 평면들과 결합시키는 것을 가능하게 한다.

이제 이 시스템의 작동에 대해 자세히 설명한다. 공간적 및 시간적으로 비간섭성인, 상기 입사 필드는 우선 편광기(171)를 통해 장치의 평면에 대해 평행(e∥) 및 수직(e⊥) 방향으로 45도에서 직선적으로 편광된다. 방향들 e∥ 및 e⊥를 따라 편광된 파동의 성분들은 편광 빔 스플리터(172)에 의해 각각 투과 및 반사된다. 간섭계(170)의 각 암은 1/4 파장 플레이트(173, 174) 및 미러(175, 176)를 포함한다. 상기 암들 중 하나에서, 미러(176)는 광축에 대해 기울어진다. 돌아올 때 각 암에서 나오는 두 개의 파동은 두 개의 직교 편광 경사 빔 형태로 상기 간섭계를 빠져나간다. 그러나 이 두 빔들은 동일한 입사파로부터 발생하기 때문에 서로에 대해 간섭성이다.

두번째 간섭계에서, 상기 두 빔들은 편광 빔 스플리터(181)에 의해 다시 분리된다. e∥를 따라 편광된 빔은 상기 참조 암에서 전달된다. e⊥를 따라 편광된 빔은 상기 객체 암에서 반사된다. 두 개의 암 각각에 1/4 파장 플레이트들(182, 183)이 존재하면, 상기 두 개의 빔이 상기 객체 암의 샘플과 상기 참조 암의 미러에 의해 반사된 후 최적으로 전송될 수 있다. 이들 두 개의 빔은 e∥ 및 e⊥에 대해 45도 편광된 분석기(187)를 사용하여 상기 간섭계의 출력에서 재결합된다. 따라서 그들은 렌즈(133)의 초점면에서 간섭할 수 있다. CCD 또는 CMOS 카메라는 해당 간섭 패턴을 기록한다. 상기와 같이, 간섭계(180)의 참조 암의 미러(182)에 부착된 압전 소자(186)를 사용하여 수행되는 위상 시프팅 방법은, 상기 카메라에 의해 기록된 이미지로부터 상기 간섭 항을 추출할 수 있도록 한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 미러(175)의 경사는 참조 빔과 객체 빔이 상기 카메라에서 서로에 대해 시프트되도록 한다. 상기의 셋업과 마찬가지로, 구별되는 포인트들 r _in 과 r _out 사이의 임펄스 응답이 측정된다. 그들의 상대 위치 r' _out 는 수식 22에 따라 미러의 경사도에 의해 결정된다.

도 14 내지 도 16은 도 12에 설명된 것과 같은 특성화 시스템으로 얻은 첫번째 실험 결과들을 보여주며, 도 17은 도 13에 설명된 것과 같은 특성화 시스템으로 얻은 실험 결과들을 보여준다.

도 14 내지 도 16은 비정상적인 원숭이 각막(40)(도 14a)을 통해 관찰된 테스트 패턴(샘플 SMP)에 대해 얻은 결과들을 도시한다. 상기 테스트 패턴은 현미경 대물렌즈(30)의 초점면 FP에 위치한다(도 12). 실험 장치는 도 12에 설명되어 있다. 샘플은 5 μm(300 x 300 픽셀)의 공간 해상도로 1.5 x 1.5 mm²의 시야에 걸쳐 현미경 대물렌즈 4x를 통해 발광 다이오드(850nm, 480mW)에 의해 이미지화된다. 왜곡 행렬 D _rr 는 17 x 17 픽셀 영역에 걸쳐 시야의 각 포인트 r _in 에 대한 포인트 확산 함수를 측정함으로써 실험적으로 얻으며, 즉, 도 2의 간섭 셋업에 필요한 90000개 대신에 289개의 획득이 필요했다.

도 14b는 위에서 설명한 방법에 따라, 도 12의 셋업을 사용하여 측정된 왜곡 행렬 D _rr 를 도시한다.

또한, 도 15a에 도시된 왜곡 행렬 D _rr 로부터, 수식 4로 표시된 데이터를 재배열함으로써 초점면 반사 행렬 R _rr 을 결정할 수 있다. 엔-페이스(en-face) OCT 이미지는 행렬 D _rr 의 중앙 행으로부터 추론할 수 있으며, 시야의 각 포인트 r _in 에서의 상기 확산 함수는 상기 포인트 확산 함수의 D _rr 의 각 열에 해당한다. 도 15e는 전체 시야에 걸쳐 평균화된 포인트 확산 함수의 모듈러스를 보여준다. D _rr 의 출력에서 2차원 공간 푸리에 변환은 위에서 설명된 바와 같이 수차 법칙들이 결정될 수 있는 것을 기초로 왜곡 행렬 D _ur (도 15d)에 대한 액세스를 제공한다.

도 16a는 동공 평면에서 측정된 수차 법칙들(이미지들 (a), (b), (c)에 각각 표시된 세 개의 제1 출력 고유벡터들 U ₁ , U ₂ , U ₃ )을 도시한다. 초점면, 입력 고유벡터들 V ₁ , V ₂ , V ₃ 의 관련 이미지들은 각각 도 16b의 이미지들 (a), (b), (c)에 표시된다. 각 동평면 도메인에 대해 평균화된 보정된 행렬

및

로부터 추론된 포인트 확산 함수는 도 16c의 이미지들 (a), (b), (c)에 도시되어 있다. D _rr 의 중앙 행에 해당하는 OCT 이미지(도 16d)는 10개의 제1 고유벡터(이미지 16e)의 선형 조합에 의해 보정된 이미지와 비교된다.

이 첫번째 예는 도 12 또는 도 13의 실험 장치들이 마이크로메트릭(micrometric) 해상도에서 밀리미터 시야에 걸쳐 행렬 D _rr 를 직접 측정할 수 있도록 하는 방법을 보여준다. 또한, 이는 시야에서 여러 동평면 도메인들을 발생시키는 고차 수차들을 동시에 수정하는 방법을 보여준다.

도 17a 내지 도 17d는 도 13 유형의 실험 셋업을 여전히 사용하는 두 번째 예, 즉, 생물학적 매체의 심층 이미징에 본 개시에 따른 방법을 적용한 것을 도시한다. 정반사 모드에 해당하는 첫 번째 경우와 달리, 이 경우는 정반사 모드와 무작위 산란 모드들 사이의 중간 모드이다.

여기에 촬영된 생물학적 샘플은 나뭇잎이다. 시야는 2 x 2 mm²(400 x 400 픽셀)이고 초점면은 잎의 표면에 대해 70μm 깊이에 위치한다(도 17a).

도 17b는 측정된 행렬 D _rr 의 중앙 행에서 “엔-페이스(en-face)” OCT 이미지를 보여준다. 이 이미지는 표면에서 공기와 잎 사이의 광학 인덱스의 단절과 잎 자체로 인한 수차들로 인해 대비가 열악하다. 따라서 잎의 일부 잎맥들은 보기 어렵다. 왜곡 행렬의 분석은 일련의 고유벡터들 V _i 에 대한 액세스를 제공하며, 두 가지 예인 V ₂ 및 V ₃ 는 도 17c의 이미지들 (a) 및 (b)에 표시된다.

이들 두 개의 이미지들은 상기 두 개의 고유벡터가 이미지의 서로 다른 영역들과 연관되어 있음을 보여준다. V ₂ 는 가장 많이 반사되는 잎맥들의 대비 이미지를 제공하는 한편, V ₃ 는 이미지의 배경에서 더 선명한 스페클의 이미지를 제공한다. 도 17d는 상기 왜곡 행렬의 15개의 제1 고유벡터 V _i 의 선형 조합에 의해 얻은 보정된 이미지이다. 수차들에 대한 행렬 보정은 도 17b에 표시된 초기 OCT 이미지와의 비교에서 알 수 있듯이, 잎 부분의 선명하고 훨씬 더 대비된 이미지를 제공한다.

이전 예에서와 같이, 이 예는 한편으로는 큰 크기의 반사 및 왜곡 행렬들을 획득하고, 다른 한편으로는 마이크로메트릭(micrometric) 해상도에서 밀리메트릭(millimetric) 시야에 대한 고차 수차들(high-order aberrations)의 보정을 허용하는 셋업을 통해, 본 개시에 따른 상기 방법의 실현 가능성을 보여준다.

다수의 상세한 예시적인 실시예들을 통해 설명되었지만, 상기 비침습적 특성화를 위한 방법 및 시스템은 당업자에게 명백한 서로 다른 변형, 수정, 및 개선들을 포함하며, 이러한 상이한 변형, 수정, 및 개선들은 다음의 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 이해된다.

Claims (17)

1. 이종 매체의 비침습적 광학 특성화를 위한 방법으로서,
   일련의 입사 광파들에 의해, 현미경 대물렌즈의 초점면에 위치한, 상기 이종 매체의 소정의 시야를 조명하는 단계;
   상기 초점면의 컨쥬게이트(conjugate) 평면과 관찰 평면 사이에 정의된 관찰 베이스에서 제1 왜곡 행렬(D _ur , D _rr )을 결정하는 단계- 상기 제1 왜곡 행렬은, 상기 초점면의 컨쥬게이트 평면과 수차 보정 평면 사이에 정의된 보정 베이스에서, 상기 보정 베이스에서, 모델 매체에 대해 정의된, 참조 반사 행렬의 상기 위상 컨쥬게이트 행렬을 사용하여, 상기 보정 베이스에서 결정된, 상기 시야의 제1 반사 행렬(R _ur )의 텀-바이-텀 행렬 곱(term-by-term matrix product)에 대응함 -; 및
   상기 제1 왜곡 행렬에 기초하여, 상기 이종 매체의 물리적 파라미터의 적어도 하나의 매핑을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 왜곡 행렬(D _ur , D _rr )의 결정은,
   상기 관찰 베이스에서 상기 제1 반사 행렬(R _ur , R _rr )을 실험적으로 결정하는 단계; 및
   상기 제1 반사 행렬 및 동일한 베이스에 정의된 상기 참조 반사 행렬에 기초하여 상기 제1 왜곡 행렬을 구성하는 단계를 포함하는, 방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 관찰 베이스는 상기 보정 베이스이며, 상기 제1 왜곡 행렬은 동일한 베이스에서 정의된 상기 참조 반사 행렬의 위상 컨쥬게이트 행렬을 사용하여 상기 보정 베이스에서 결정된 상기 시야의 상기 제1 반사 행렬(R _rr )의 텀-바이-텀 행렬 곱에 의해 구성되는, 방법.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 관찰 베이스는 상기 초점면의 2개의 컨쥬게이트 평면들 사이에 정의된 집속 베이스이며, 상기 제1 왜곡 행렬은 상기 집속 베이스에서 정의된 상기 집속 반사 행렬(R _rr )의 각 행 및/또는 각 열과, 상기 동일한 베이스에서 정의된 상기 참조 반사 행렬의 동일한 행 및/또는 각 열 사이의 공간적 상관관계(spatial correlation)에 의해 구성되는, 방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 조명 단계는 동일한, 공간적으로 간섭성인 광파들에 의해 간섭계의 객체 암 및 참조 암을 조명하는 단계- 상기 객체 암은 상기 이종 매체가 위치한 초점면에 있는 현미경 대물렌즈를 포함하고, 상기 참조 암은 참조 미러(123)를 포함함 -를 포함하며;
   상기 제1 왜곡 행렬(D _u )은 상기 보정 베이스에서 결정되며, 상기 제1 왜곡 행렬의 결정은,
   상기 초점면의 포인트(r _in )에 입사하는 각 광파에 대해, 상기 보정 평면에서, 상기 포인트에 의해 반사된 전자기장과 상기 참조 미러에 의해 반사된 전자기장 사이의 간섭으로 인한 인터페로그램(interferogram)을 획득하는 단계; 및
   상기 제1 왜곡 행렬을 구성 하는 단계- 상기 제1 왜곡 행렬의 각 열은, 상기 초점면의 포인트(r _in )에 집속된 입사 광파에 대해, 상기 인터페로그램의 교차 간섭 항(cross-interference term)과 관련된 전자기장에 대응함 -를 포함하는, 방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 조명 단계는 공간적으로 비간섭성인 광파들에 의해 제1 간섭계(interferometer)의 객체 암 및 참조 암을 조명하는 단계- 상기 객체 암은 상기 이종 매체가 위치한 초점면에 있는 현미경 대물렌즈(30)를 포함하고, 상기 참조 암은 참조 미러(153, 185)를 포함하며, 상기 제1 간섭계의 출구에서 상기 이종 매체 및 상기 참조 매체에 의해 반사된 상기 파동들은, 상기 초점면과 컨쥬게이팅된 평면에서 공간적 시프트(spatial shift)을 나타내며, 상기 시프트는 가변적임 -를 포함하며;
   상기 제1 왜곡 행렬(D _rr )은 상기 초점면의 2개의 컨쥬게이트 평면들 사이에 정의된 집속 베이스에서 결정되며, 상기 제1 왜곡 행렬의 결정은,
   각 공간적 시프트(r _out -r _in )에 대해, 상기 초점면의 컨쥬게이트 평면에서, 상기 이종 매체와 상기 참조 미러에 의해 반사되고 공간적으로 시프트된 파동들 사이의 간섭으로 인한 인터페로그램을 획득하는 단계; 및
   상기 제1 왜곡 행렬은 구성하는 단계- 상기 제1 왜곡 행렬의 각 행은, 공간적 시프트 값에 대해, 상기 인터페로그램의 교차 간섭 항과 관련된 전자기장에 대응함 -를 포함하는, 방법.
   
7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 이종 매체의 물리적 파라미터의 적어도 하나의 매핑의 결정은,
   상기 초점면에서 적어도 하나의 제1 동평면 도메인을 식별하기 위해, 상기 제1 왜곡 행렬의 상기 초점면에서 불변량들을 결정하는 단계; 및
   식별된 각각의 제1 동평면 도메인에 대해, 상기 보정 평면에서 적어도 하나의 제1 수차 법칙의 매핑을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 왜곡 행렬의 상기 초점면에서의 상기 불변량들의 결정은, 상기 제1 왜곡 행렬, 상기 제1 정규화된 왜곡 행렬, 및 상기 제1 왜곡 행렬의 정규화된 상관 행렬을 포함하는 일련의 행렬 중 적어도 하나에서의 특이값 분해(singular value decomposition)를 포함하는, 방법.
   
9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
   상기 관찰 베이스에서, 상기 하나 이상의 제1 수차 법칙에 의해 보정된 상기 시야의 반사 행렬을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 보정 베이스에서, 상기 참조 반사 행렬의 상기 위상 컨쥬게이트 행렬을 사용하여, 상기 보정 베이스에서 결정된 상기 보정된 반사 행렬의 텀-바이-텀 행렬 곱에 대응하는 제2 왜곡 행렬을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 초점면에서 적어도 하나의 제2 동평면 도메인을 식별하기 위해, 상기 제2 왜곡 행렬의 상기 초점면에서 불변량들을 결정하는 단계; 및
    식별된 각각의 제2 동평면 도메인에 대해, 상기 보정 평면에서 제2 수차 법칙의 매핑을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
    
12. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이종 매체의 물리적 파라미터의 적어도 하나의 매핑의 결정은, 식별된 적어도 하나의 제1 동평면 도메인에 대해, 상기 초점면에서 제1 포인트 확산 함수(PSF)를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
    
13. 이종 매체의 비침습적 광학 특성화를 위한 시스템으로서,
    상기 이종 매체가 위치하도록 의도된 초점면을 정의하는 제1 현미경 대물렌즈(30);
    상기 현미경 대물렌즈를 통해, 상기 이종 매체의 소정의 시야를 조명하도록 의도된, 일련의 입사 광파들을 방출하기 위한 발광 장치(110);
    관찰 평면에 배치된 2차원 획득 검출기(130);
    상기 발광 장치 및 상기 2차원 획득 검출기에 커플링된 제1 간섭계- 상기 제1 간섭계는 상기 현미경 대물렌즈(30)를 갖는 객체 암 및 제2 현미경 대물렌즈(123, 152, 184)의 초점 스폿에서 참조 거울을 포함하는 참조 암을 포함하며, 상기 제1 간섭계는 상기 관찰 평면에서, 상기 이종 매체와 상기 참조 미러에 의해 반사된 파동들 사이의 간섭들을 형성하도록 구성됨 -; 및
    상기 2차원 획득 검출기에 커플링된 컴퓨팅 유닛(140)을 포함하며,
    상기 컴퓨팅 유닛(140)은,
    상기 간섭들로부터 기인한 인터페로그램들(interferograms)에 기초하여, 상기 초점면의 컨쥬게이트 평면(conjugate plane)과 상기 관찰 평면 사이에서 정의된 관찰 베이스의 제1 왜곡 행렬(D _ur , D _rr )을 결정하도록- 상기 제1 왜곡 행렬은, 상기 초점면의 컨쥬게이트 평면과 수차 보정 평면 사이에 정의된 보정 베이스에서, 상기 보정 베이스에서 모델 매체에 대해 정의된 참조 반사 행렬의 위상 컨쥬게이트 행렬을 사용하여, 상기 보정 베이스에서 결정된 상기 시야의 제1 반사 행렬(R _ur )의 텀-바이-텀 곱에 대응함 -; 및
    상기 제1 왜곡 행렬에 기초하여, 상기 이종 매체의 물리적 파라미터의 적어도 하나의 매핑을 결정하도록 구성된, 이종 매체의 비침습적 광학 특성화를 위한 시스템.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 발광 장치(110)는 동일한, 공간적으로 간섭성인 광파들에 의해 상기 객체 암 및 상기 참조 암을 조명하도록 구성되며;
    상기 관찰 평면은 수차 보정 평면이며, 상기 2차원 획득 장치는 상기 보정 평면에서 및 상기 초점면의 포인트(r _in )에 입사하는 각 광파에 대해, 상기 포인트에 의해 반사된 전자기장과 상기 참조 미러에 의해 반사된 전자기장 사이의 간섭으로 인한 인터페로그램을 획득하도록 구성되며;
    상기 컴퓨팅 유닛은 제1 왜곡 행렬을 생성하도록 구성된- 상기 제1 왜곡 행렬의 각 열은, 상기 초점면의 포인트(r _in )에 집속된 입사 광파에 대해, 상기 인터페로그램의 교차 간섭 항(cross-interference term)과 관련된 전자기장에 대응함 -, 이종 매체의 비침습적 광학 특성화를 위한 시스템.
    
15. 제13항에 있어서,
    상기 발광 장치(110)는 공간적으로 비간섭성인 광파들에 의해 상기 객체 암 및 참조 암의 전체 시야를 조명하도록 구성되며;
    상기 제1 간섭계는, 상기 제1 간섭계의 출구에서, 상기 이종 매체 및 상기 참조 미러에 의해 반사된 파동들을 형성하도록 구성되며, 이는 상호 간섭성이고, 상기 초점면과 컨쥬게이팅된 평면에서 공간적 시프트를 나타내며, 상기 시프트는 가변적이며;
    상기 관찰 평면은 상기 초점면과 컨쥬게이팅된 평면이며, 상기 2차원 획득 장치는, 상기 관찰 평면에서, 및 각각의 공간적 시프트에 대해, 상기 이종 매체와 상기 참조 미러에 의해 반사되고 공간적으로 시프트된 상기 파동들 사이의 간섭으로 인한 인터페로그램을 획득하도록 구성되며;
    상기 컴퓨팅 유닛은 제1 왜곡 행렬을 생성하도록 구성된- 상기 제1 왜곡 행렬의 각 행은, 공간적 시프트 값에 대해, 상기 인터페로그램의 교차 간섭 항과 관련된 전자기장에 대응함 -, 이종 매체의 비침습적 광학 특성화를 위한 시스템.
    
16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 간섭계는 상기 객체 암(160) 및 참조 암(150)을 형성하도록 구성된 제1 빔 스플리터(121)를 포함하며;
    상기 참조 암(150)은 상기 조명파들을 상기 참조 미러(153) 및 제2 미러(154)로 보내도록 구성된 제2 빔 스플리터(151)를 포함하며-
    상기 제2 미러(154)는 상기 현미경 대물렌즈의 동공 평면과 컨쥬게이팅된 평면에 배열되고, 상기 현미경 대물렌즈의 광축에 의해 정의된 광축에 대해 가변 경사도(θx)를 나타냄 -;
    상기 객체 암(160)은 상기 조명파들을 상기 이종 매체(SMP) 및 제3 미러(162)로 보내도록 구성된 제3 빔 스플리터(161)를 포함하는- 상기 제3 미러(162)는 상기 현미경 대물렌즈의 광축에 의해 정의된 광축에 수직인, 상기 현미경 대물렌즈의 동공 평면과 컨쥬게이팅된 평면에 배열됨 -, 이종 매체의 비침습적 광학 특성화를 위한 시스템.
    
17. 제15항에 있어서,
    상기 발광 장치(110)로부터 상기 공간적으로 비간섭성인 광파들을 수신하도록, 및 직교 편광들을 갖고 상기 초점면과 컨쥬게이팅된 평면에서 공간적 시프트를 나타내는 2개의 조명파들을 형성하도록 구성된 제2 조명 간섭계(170)를 더 포함하며;
    상기 제1 간섭계(180)는 각각 직교 편광들을 갖고 공간적 시프트를 나타내는 상기 편광파들 각각을 상기 객체 암 및 참조 암에 각각 보내도록 구성된 편광 분할 소자(181)를 포함하는, 이종 매체의 비침습적 광학 특성화를 위한 시스템.

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