Measurements of the 2-D refractive index distribution and thickness profile of bio-tissue, film and optical elements are important in optical engineering and biological applications. For a phase object, the refractive index of a sample is an important parameter for evaluating the specific properties of a specimen, particularly with regard to the shape and internal organization.
We propose a separation algorithm that uses three wavelengths to simultaneously measure the 2-D refractive index distribution and thickness profile of transparent samples. The optical system is based on a Mach-Zehnder interferometer with laser diode-based multi-wavelength sources. A liquid crystal retarder is used to obtain interference images at four states with phases, and the optical phase of the object is then calculated with a four-bucket algorithm.
And we propose a separation algorithm that uses white light interferometry to simultaneously measure the 2-D refractive index distribution and thickness profile of transparent samples. The optical system is based on a Michelson interferometer with white light sources. An AOTF is used to obtain 2D spectral information and the optical phase of the object is then calculated with Fourier transform.
Finally we will apply to bio-sample to obtain real time image of osmotic pressure of onion cell. This result demonstrates that the proposed algorithm can be used to simultaneously separate the refractive index distribution and thickness profile of samples in two dimensions.
일반적으로 굴절률은 phase object (위상물체)의 형태나 내부 구조, 성능, 특성 등을 평가하는데 가장 중요한 변수로 생각되어 진다. 따라서 위상물체의 3차원 굴절률 분포를 정확히 알아내는 것이 매우 중요하다. 현재 연구대상으로서, 많은 광학 시스템에서 널리 쓰이고 있는 사출렌즈와, 생물분야에서 연구되고 있는 biological specimens (바이오 샘플)등이 있다. 본 연구에서는 바이오 샘플이나 광학 부품과 같은 Phase object의 내부 굴절률 분포와 형상 정보에 대한 정보를 얻기 위해 간섭계를 이용하여 광 간섭 정보를 측정한 후 측정된 정보로부터 물성 정보를 추출하는 알고리즘에 대해서 제안한다.
연구는 크게 3가지로 나눌 수 있다.
1. 3파장 광원을 이용한 변수 분리 알고리즘 제안 - 위상 물체에서 위상차 정보에 포함되어 있는 굴절률과 두께 정보를 추출하기 위해 본 연구에서는 3파장 광원을 이용하여 마하젠더 간섭계를 구성하고, 각 파장에 대해서 LCR (Liquid Crystal Retarder)를 이용하여 일정량 위상 지연을 주었다. 위상 지연은 크게 4 프린지에 대해서 측정하고, 측정된 결과는 4-bucket 알고리즘을 이용하여 위상맵을 구성하였다. 구성된 위상맵으로부터 본 연구에서 제안한 변수 분리 알고리즘을 적용하여 2차원상의 굴절률 분포와 2차원상의 형상 정보를 추출하였다. 본 연구를 통해 형상정보와 물성 정보를 모르는 경우에 측정된 위상맵으로부터 각각의 변수를 추출할 수 있다는 것을 확인하였다. 본 연구를 바탕으로 사출로 성형된 광학 부품의 굴절률 분포와 형상 정보의 추출로 제작조건을 찾는데 활용할 수 있으며, 바이오 샘플의 동적 특성 규명에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
2. 백색광 간섭계를 이용한 변수 분리 알고리즘 제안 - 앞서 제시한 3파장 광원의 한계를 극복하고 실시간으로 물성 정보와 형상 정보를 추출하기 위해서 본 연구에서는 처음 제안한 변수 분리 알고리즘을 응용하여 백색광 간섭계를 이용한 시스템에서 변수를 분리하는 알고리즘에 대해서 제안하였다. 또한 2차원상의 파장에 대한 스펙트럼 정보를 얻기 위해서 AOTF (Acousto Optic Tunable Filter)을 이용하였으며, 마이켈슨 타입으로 시스템을 구성하였다. 현재 시뮬레이션을 수행하였으며, 시스템 구성중에 있다. 시뮬레이션을 통해서 앞서 제안한 3파장 광원을 이용한 변수 분리 알고리즘과 동일하게 물성 정보와 위상 정보를 추출 할 수 있음을 확인하였으며, 실험적인 검증을 통해서 확인하였다.
3. Measurement of Osmotic pressure - 마지막으로 본 연구에서는 앞서 제시한 변수 분리 알고리즘을 생체 시편에적용하기 위하여 양파의 표피 세포를 이용하여 삼투압 측정을 하였다. 원형질 분리가 된 양파의 표피 세포를 고장액 (100% 증류수)에 위치시키고 시간에 따라 삼투압이 진행되는 것을 확인하였다. 보통 광학 현미경을 통해서 확인 할 수 없었던 삼투압이 진행됨에 따라 세포의 굴절률과 두께의 변화를 수치적으로 확인하였다.
