フーリエタイコグラフィー

フーリエ・タイコグラフィーの光学構成を示す図。
フーリエタイコグラフィーの光学構成

フーリエタイコグラフィーは、光学顕微鏡に基づいた計算画像化技術であり、様々なコヒーレント照明角度で取得されたフルフィールド画像のセットからより広い開口数を合成することから成り、[ 1 ] [ 2 ]従来の顕微鏡 に比べて解像度が向上します。

各画像は、さまざまな入射角のコヒーレント光源（通常は LED アレイから）の照明下で取得されます。取得された画像セットは、反復位相回復アルゴリズムを使用して、回折限界解像度で最大 10 億ピクセル（ギガピクセル）を含む最終的な高解像度画像に結合され、高い空間帯域幅製品が生成されます。

フーリエ・タイコグラフィーは、物体の複雑な画像（定量的な位相情報を含む）を再構成しますが、ホログラフィーとは異なり、非干渉画像化技術であるため、実装が簡単な場合が多いです。

「プチコグラフィー」という名前は、古代ギリシャ語の πτυχή (「ptychē」は「折り畳む」という意味で、triptych という言葉にも使われている) に由来しており、この技法はオブジェクトの複数の「ビュー」に基づいていることに由来しています。

画像再構成アルゴリズム

画像再構成アルゴリズムは反復位相回復法[ 3 ]に基づいており、Gerchberg–Saxton アルゴリズムに関連しているもの、または凸緩和法[ 4 ]に基づいています。実空間タイコグラフィーと同様に、位相問題の解決は同じ数学的なシフト不変性制約に依存しますが、フーリエタイコグラフィーでは、後焦点面の回折パターンが後焦点面の開口部に対して移動します。 (従来のタイコグラフィーでは、照明が標本に対して移動します。)実空間タイコグラフィーで使用される多くの再構成アルゴリズムは、そのためフーリエタイコグラフィーでも使用されており、最も一般的なのは PIE [ 5 ] [ 6 ]と、ePIE [ 7 ]や 3PIE などのバリエーションです。[ 8 ]これらのアルゴリズムの変種は、光学系の瞳孔関数の同時再構成を可能にし、 [ 9 ]顕微鏡対物レンズの収差補正を可能にし、CTスキャンに必要な角度サンプルスキャンを必要とせずに薄いサンプルオブジェクトの3D再構成を可能にする回折トモグラフィー[ 10 ]を可能にします。

利点

フーリエ・タイコグラフィーは、照明源を LED アレイに置き換えることで従来の光学顕微鏡に簡単に実装でき、光学解像度を2 倍 (明視野照明のみの場合) 以上 (再構成に暗視野画像を含める場合) 向上させることができます。

フーリエタイコグラフィーの主な利点は、解像度を犠牲にすることなく、より低い開口数の顕微鏡対物レンズを使用できることです。より低い開口数を使用することで、より広い視野、より深い焦点深度、そしてより長い作動距離が得られます。さらに、油浸に頼ることなく、1を超える実効開口数を実現できます。[ 11 ]

プティコグラフィーとの関係

フーリエ・タイコグラフィーとは対照的に、（従来の）タイコグラフィーは、焦点要素の役割を対物レンズからコンデンサーに置き換え、照明位置の多様性による回折図形の取得に依存します。しかし、これら2つの手法はどちらも位相回復法[ 12 ]による物体の角度スペクトルの決定に基づいており、本質的に同じ情報を再構成します。したがって、フーリエ・タイコグラフィーと従来のタイコグラフィーは、コヒーレント回折イメージングと全視野顕微鏡法の間の橋渡しとなります。

参照

参考文献

  1. ^ G. Zheng, R. Horstmeyer, C. Yang (2013). 「広視野・高解像度フーリエ・タイコグラフィック顕微鏡法」 . Nature Photonics . 7 (9): 739– 745. arXiv : 1405.0226 . Bibcode : 2013NaPho...7..739Z . doi : 10.1038/nphoton.2013.187 . PMC 4169052. PMID 25243016 .  
  2. ^ Miao, Jianwei ( 2025). 「コヒーレント回折イメージングとタイコグラフィーを用いた計算顕微鏡法」 Nature 637 : 281–295 . doi : 10.1038 /s41586-024-08278-z .
  3. ^ Yeh, Li-Hao; Dong, Jonathan; Zhong, Jingshan; Tian, Lei; Chen, Michael; Tang, Gongguo; Soltanolkotabi, Mahdi; Waller, Laura (2015). 「フーリエ・タイコグラフィー位相回復アルゴリズムの実験的堅牢性」. Optics Express . 23 (26): 33214–40 . arXiv : 1511.02986 . doi : 10.1364/OE.23.033214 . PMID 26831989. S2CID 11235911 .  
  4. ^ Horstmeyer, Roarke; Chen, Richard Y.; Ou, Xiaoze; Ames, Brendan; Tropp, Joel A.; Yang, Changhuei (2015). 「凸緩和法によるタイコグラフィーの解法」 . New Journal of Physics . 17 (5) 053044. doi : 10.1088/1367-2630/17/5/053044 . PMC 4486359. PMID 26146480 .  
  5. ^ Faulkner, HML; Rodenburg, JM (2004). 「可動開口レンズレス透過型顕微鏡：新しい位相回復アルゴリズム」. Physical Review Letters . 93 (2) 023903. doi : 10.1103/PhysRevLett.93.023903 . PMID 15323918 . 
  6. ^ Rodenburg, JM; Faulkner, HML (2004). 「シフト照明のための位相回復アルゴリズム」.応用物理学論文集. 85 (20): 4795– 4797. Bibcode : 2004ApPhL..85.4795R . doi : 10.1063/1.1823034 . ISSN 0003-6951 . 
  7. ^ Maiden, Andrew M.; Rodenburg, John M. (2009). 「回折イメージングのための改良されたタイコグラフィ位相回復アルゴリズム」. Ultramicroscopy . 109 (10): 1256– 1262. doi : 10.1016/j.ultramic.2009.05.012 . ISSN 0304-3991 . PMID 19541420 .  
  8. ^ Maiden, AM; Humphry, MJ; Rodenburg, JM (2012). 「マルチスライスアプローチを用いた3次元Ptychographic透過型顕微鏡法」. JOSA A. 29 ( 8): 1606– 1614. Bibcode : 2012JOSAA..29.1606M . doi : 10.1364/JOSAA.29.001606 . ISSN 1520-8532 . PMID 23201876 .  
  9. ^ Ou, Xiaoze; Zheng, Guoan; Yang, Changhuei (2014). 「フーリエタイコグラフィック顕微鏡法のための埋め込み瞳孔関数回復」 . Optics Express . 22 (5): 4960–72 . doi : 10.1364/OE.22.004960 . PMC 4086333. PMID 24663835 .  
  10. ^ Horstmeyer; et al. (2016). 「フーリエタイコグラフィーによる回折トモグラフィー」. Optica . 3 ( 8): 827– 835. doi : 10.1364/OPTICA.3.000827 . PMC 5521281. PMID 28736737 .  
  11. ^ Ou, Xiaoze; Horstmeyer, Roarke; Zheng, Guoan; Yang, Changhuei (2015). 「高開口数フーリエタイコグラフィー：原理、実装、および特性評価」 . Optics Express . 23 (3): 3472–91 . doi : 10.1364/OE.23.003472 . PMC 5802253. PMID 25836203 .  
  12. ^ Horstmeyer; et al. (2014). 「フーリエ・タイコグラフィック顕微鏡法の位相空間モデル Roarke」 . Optics Express . 22 (1): 338– 358. doi : 10.1364/OE.22.000338 . PMC 3926543. PMID 24514995 .  
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