수치 구경 불일치 플렌옵틱 현미경 성능 예측 방안 연구
Performance Prediction for Plenoptic Microscopy Under Numerical Aperture Unmatching Conditions
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초록
현미경용 플렌옵틱 광학 시스템은 일반적으로 대물 렌즈, 튜브 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이, 그리고 이미지 센서로 구성된다. 플렌옵틱을 통한 라이트 필드 이미징에서 튜브 렌즈와 마이크로 렌즈 어레이 간의 수치구경을 일치시키고, 이를 바탕으로 공간분해능 및 피사계심도 등의 성능 지표를 예측한다. 하지만 상업적 마이크로 렌즈 어레이 적용시 이러한 수치구경 일치에 어려움이 있어, 본 논문에서는 기존에 보고된 성능 예측 수식을 수치 구경이 일치하지 않는 경우까지 확장하고, 전산 시뮬레이션을 통한 성능 예측 기법을 제시하며, 이를 수치 구경 일치화가 이루어진 10배율 및 수치 구경 불일치가 발생한 20배율 대물렌즈가 적용된 두 개의 플렌옵틱 광학계 개발 및 실험을 통하여 검증하였다. 10배율및 20배율 시스템은 확장식에서 각각 12.5 μm, 6.2 μm의 공간 분해능과 530 μm, 88 μm의 피사계심도를 가지며, 시뮬레이션에서는 각각 11.5 μm, 5.8 μm의 공간분해능과 510 μm, 70 μm의 피사계심도를, 실험에서는 각각 11.1 μm, 5.8 μm의 공간 분해능과 470 μm, 70 μm의 피사계심도를 가진다. 확장식 및 시뮬레이션 모두 실험 값과 유사한 결과를 보여 시스템 설계에서는 두 가지 방법 모두 적절할 것으로 판단된 다. 다만 피사계심도 예측 정확성에 있어서는 시뮬레이션에 의한 예측이 실험 값과 좀 더 유사하므로, 실제 제작에 앞서 시뮬레이션에 의한 성능 예측을 추천한다.
Abstract
A plenoptic optical system for microscopy comprises an objective lens, tube lens, microlens array (MLA), and an image sensor. Numerical aperture (NA) matching between the tube lens and MLA is used for optimal performance. This paper extends performance predictions from NA matching tounmatching cases and introduces a computational technique for plenoptic configurations using optical analysis software. Validation by fabricating and experimenting with two sample systems at 10× and 20× magnifications resulted in predicted spatial resolutions of 12.5 μm and 6.2 μm, and depth of field (DOF) values of 530 μm and 88 μm, respectively. The simulation showed resolutions of 11.5 μm and 5.8 μm, with DOF values of 510 μm and 70 μm, while experiments confirmed predictions with resolutions of 11.1 μm and 5.8 μm, and DOF values of 470 μm and 70 μm. Both formula-based prediction and simulations yielded similar results to experiments that was suitable for system design. However, regarding DOF values, simulations were closer to experimental values in accuracy, recommending reliance on simulation-based predictions before fabrication.
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