Fourier ptychography for computationally enhanced imaging in two and three dimensions

Abstract

Fourierptykografi (FP) er en nylig utviklet beregningsbasert avbildningsteknikk som kan forbedre egenskapene til et konvensjonelt optisk mikroskop utover de klassiske grensene som bestemmes av de optiske komponentene mikroskopet er satt sammen av. FP bryter effektivt sett koblingen mellom synsfelt (FoV) og oppløsning, ved å bruke flere lavoppløste bilder med ulike belysningsvinkler til å syntetisere et høyoppløst bilde med stort FoV og rekonstruert faseinformasjon. FP har potensielle bruksområder i biomedisinsk vitenskap, hvor avbildningssystemer med høy informasjonskapasitet trengs.

Et fourierptykografisk mikroskop (FPM) er konstruert, og det er vist at avbildningsteknikken forbedrer oppløsningen i samsvar med de forventede verdiene. Med et mikroskopobjektiv med 0,055 numerisk aperture (NA), og belysningsvinkler opp til 21,1ᵒ, oppnås en oppløsning på 1,56 µm med belysning med bølgelengde 520 nm. Forbedringen i oppløsning tilsvarer å utvide NA for avbildningssystemet til 0,33.

Det har også blitt demonstrert at mikroskopet er i stand til å rekonstruere fasen til det avbildede objektet kvantitativt, ved å avbilde kjente faseprøver. Det har vist seg å være utfordrende å rekonstruere bratte fasegradienter og lavfrekvent faseinformasjon. Disse begrensingene har blitt analysert og diskutert. En rekonstruksjon med stort FoV av en bein- og brusk-prøve har blitt gjort, for å demonstrere et potensielt bruksområde for mikroskopet.

FP kan også brukes for 3D-avbildning. Her har en multilags-modell blitt brukt for å beskrive en 3D-prøve, og en eksisterende algoritme har blitt implementert og testet. En modifisert versjon av multilags-FP er foreslått, basert på en avbildningsmodell med færre approksimasjoner. Rekonstruksjoner utført med de foreslåtte endringene viser forbedret konvergens og mindre støy sammenlignet med den opprinnelige versjonen av algoritmen. Dette indikerer at den foreslåtte endringen forbedrer ytelsen til multilags-FP-algoritmen.

Fourier ptychography (FP) is a recently developed computational imaging technique that is able to extend the capabilities of a conventional optical microscope beyond the classical limit set by the applied optics hardware. FP effectively decouples the trade-off between field of view (FoV) and resolution, by using multiple low-resolution images with different illumination angles to synthesize a wide FoV high-resolution image with recovered phase information. FP has potential applications in biomedical sciences, where high space-bandwidth product (SBP) imaging systems are needed.

A custom-built Fourier ptychographic microscope (FPM) has been demonstrated to provide the expected resolution gain, by imaging a resolution test target. Using an objective with a 0.055 numerical aperture (NA) combined with illumination angles up to 21.1ᵒ, the FPM achieves a full-pitch resolution of 1.56 µm with an illumination wavelength of 520 nm. The resolution enhancement corresponds to increasing the NA of the system to 0.33.

The FPM has also been shown to be capable of quantitative phase imaging (QPI), by imaging known phase objects. However, faithfully reconstructing steep phase gradients and low-frequent phase information has proved to be challenging, and these limitations have been analyzed and discussed. A large FoV reconstruction of a 4 µm thick bone and cartilage sample has been performed to demonstrate a potential application of the microscope.

FP can also be used for 3D imaging. Here, a multislice approach is adopted to model a 3D sample, and an existing multislice FP algorithm has been implemented and tested. A modified version of the multislice FP algorithm is proposed, based on an imaging model with less approximations. Reconstructions performed with the proposed modifications demonstrate better convergence properties and reduced noise compared to the original algorithm, indicating that the proposed modification improves the performance of the multislice FP algorithm.