Korean Journal of Optics and Photonics (한국광학회지)

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Performance Prediction for Plenoptic Microscopy Under Numerical Aperture Unmatching Conditions

수치 구경 불일치 플렌옵틱 현미경 성능 예측 방안 연구

  • Ha Neul Yeon (Department of Optical Engineering, Kongju National University) ;
  • Chan Lee (Department of Optical Engineering, Kongju National University) ;
  • Seok Gi Han (Department of Optical Engineering, Kongju National University) ;
  • Jun Ho Lee (Department of Optical Engineering, Kongju National University)
  • Received : 2023.11.23
  • Accepted : 2024.01.08
  • Published : 2024.02.25
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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 to unmatching 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 ㎛ and 6.2 ㎛ and depth of field (DOF) values of 530 ㎛ and 88 ㎛, respectively. The simulation showed resolutions of 11.5 ㎛ and 5.8 ㎛, with DOF values of 510 ㎛ and 70 ㎛, while experiments confirmed predictions with resolutions of 11.1 ㎛ and 5.8 ㎛ and DOF values of 470 ㎛ and 70 ㎛. Both formula-based prediction and simulations yielded similar results to experiments that were suitable for system design. However, regarding DOF values, simulations were closer to experimental values in accuracy, recommending reliance on simulation-based predictions before fabrication.

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 수치 구경을 일치시키고, 이를 바탕으로 공간분해능 및 피사계심도 등의 성능 지표를 예측한다. 하지만 상업적 마이크로 렌즈 어레이 적용시 이러한 수치 구경 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. 10배율 및 20배율 시스템은 확장식에서 각각 12.5 ㎛, 6.2 ㎛의 공간 분해능과 530 ㎛, 88 ㎛의 피사계심도를 가지며, 시뮬레이션에서는 각각 11.5 ㎛, 5.8 ㎛의 공간분해능과 510 ㎛, 70 ㎛의 피사계심도를, 실험에서는 각각 11.1 ㎛, 5.8 ㎛의 공간 분해능과 470 ㎛, 70 ㎛의 피사계심도를 가진다. 확장식 및 시뮬레이션 모두 실험 값과 유사한 결과를 보여 시스템 설계에서는 두 가지 방법 모두 적절할 것으로 판단된다. 다만 피사계심도 예측 정확성에 있어서는 시뮬레이션에 의한 예측이 실험 값과 좀 더 유사하므로, 실제 제작에 앞서 시뮬레이션에 의한 성능 예측을 추천한다.

Keywords

Acknowledgement

이 논문은 2023년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(No.1711117093, 플렌옵틱 현미경 영상 획득 및 검진 기술개발).

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