Optical microscopy has been employed to derive intriguing characteristics of an object in various fields, including cell biology, histopathology, hematology, and neuroscience. In particular, measuring the phase of light scattered from an object aroused great interest by allowing retrieving quantitative parameters such as refractive index, an intrinsic property of a material. The performance of holographic imaging based on reference-assisted holography is significantly limited owing to their vulnerability to vibration and complex optical configurations. Noninterferometric holographic imaging methods can resolve these issues. However, existing methods require constraints on an object or measurement of multiple-intensity images. In this thesis, we present holographic imaging techniques that reconstruct the complex amplitude of scattered light from a single-intensity image.
In the first chapter, the properties of holomorphic optical fields are explored, and Kramers–Kronig or Hilbert transform-based holographic imaging is described and examined with simulated and experimental data. In the second chapter, as an example of noninterferometric holographic imaging, the speckle-correlation scattering matrix method using disorder is addressed, and the experimental validation and numerical study are presented. The third chapter introduces reciprocal diffractive imaging (RDI), the main subject of this thesis. RDI has succeeded in recovering the light field scattered from diffusive objects without special restrictions on illumination and a sample support from a single-shot intensity in the reference-free regime. We experimentally demonstrate holographic imaging of three-dimensional diffusive objects and suggest its potential applications by imaging a variety of samples under both static and dynamic conditions. In the last chapter, RDI expands imageable objects to general samples, such as biological samples. We reconstruct the quantitative phase of microscopic samples via generalized RDI by tailoring the Fourier field. The proposed method is demonstrated by imaging the objects with known structures and various biological samples. We believe that the presented advance could be at the forefront of holographic methods due to the unique advantages the technique possesses.
세포생물학, 조직병리학, 혈액학, 신경과학 등 다양한 분야에서 관심 있는 대상의 특성을 연구하기 위해 광학 현미경이 널리 사용되어 왔다. 그러나 간섭계를 이용하는 홀로그래픽 이미징의 성능은 진동에 대한 취약함과 복잡한 광학 구성 때문에 한계가 있었다. 비간섭적 홀로그래픽 이미징 방법은 이러한 문제를 해결할 수 있지만, 측정할 수 있는 샘플에 제약이 있거나 복수의 강도 이미지 측정을 요구한다. 본 논문에서는 단일 강도 이미지로부터 산란광의 복소 진폭을 재구성하는 홀로그래픽 이미징 기술을 제안한다.
첫 번째 장에서는 홀로모픽 광학장의 특성을 탐구한 후, 힐버트 변환에 기반한 홀로그래픽 이미징 방법을 설명하고, 시뮬레이션 및 실험 데이터로 이 이미징 방법의 정확도를 분석한다. 두 번째 장에서는 비간섭적 홀로그래픽 이미징의 예시로, 무작위성을 이용한 스페클 연관 산란 행렬 방법을 다룬다. 세 번째 장에서는 본 논문의 주요 주제인 역 회절 이미징 방법을 소개한다. 역 회절 이미징은 입사광에 대한 특별한 제한 없이 비간섭적으로 단일 강도 이미지로부터, 산란을 심하게 일으키는 물체에서 반사된 광학장을 복원하는 것이 가능하다. 마지막 장에서 역 회절 이미징이 가능한 대상이, 산란을 심하게 일으키는 물체뿐만 아니라 생물학적 샘플과 같은 일반적인 샘플로 확장된다. 우리는 역 회절 이미징 방법이 보유한 특별한 이점으로 인해, 이 기술을 이용한 정량적 위상 현미경이 홀로그래픽 이미징 방법의 최전선에 설 수 있다고 믿는다.
