(57)【要約】フーリエ・タイコグラフィー撮像装置が、照射を複数の入射角から標本に与える可変照明装置と；標本から出る照射をフィルタ処理する光学素子と；光学素子によってフィルタ処理した光に基づいて、標本の可変的照射による複数の低分解能輝度画像を取得する検出器と；フーリエ空間内の重複領域を、可変的照射による低分解能輝度画像で反復的に更新することによって、標本の高分解能画像をコンピュータ計算で再構成するためのプロセッサとを含む。
2015535348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入射角から標本に照射を与える可変照明装置と；
前記標本から出る照射をフィルタ処理する光学素子と；
前記光学素子によってフィルタ処理された光に基づいて、前記標本の可変的照射による低分解能輝度画像を取得する検出器と；
フーリエ空間内の重複領域を、前記可変的照射による低分解能輝度画像で反復的に更新することによって、前記標本の高分解能画像をコンピュータ計算で再構成するためのプロセッサと
を具えていることを特徴とするフーリエ・タイコグラフィー撮像装置。
【請求項２】
前記光学素子が、低開口数の対物レンズであることを特徴とする請求項１に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像装置。
【請求項３】
前記低開口数の対物レンズが、約０．０２〜０．１３の開口数を有することを特徴とする請求項２に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像装置。
【請求項４】
前記低開口数の対物レンズが、約０．０８の開口数を有することを特徴とする請求項２に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像装置。
【請求項５】
前記複数の入射角における隣り合った２つの入射角どうしの差が、前記低開口数の対物レンズの開口数に対応する受光角の１０％〜９０％であることを特徴とする請求項２に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像装置。
【請求項６】
前記複数の入射角における隣り合った２つの入射角どうしの差が、前記低開口数の対物レンズの開口数に対応する受光角の３３％〜６６％であることを特徴とする請求項２に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像装置。
【請求項７】
前記複数の入射角における隣り合った２つの入射角どうしの差が、前記低開口数の対物レンズの開口数に対応する受光角の７６％未満であることを特徴とする請求項２に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像装置。
【請求項８】
前記可変照明装置が、発光素子の二次元マトリクスを具え、前記発光素子の各々が、前記複数の入射角のうちの１つから照射を与えることを特徴とする請求項１に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像装置。
【請求項９】
前記発光素子の各々が、１つ以上の発光ダイオードの組であることを特徴とする請求項８に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像装置。
【請求項１０】
前記発光素子の各々が、３つの準単色光源であり、
前記プロセッサが、前記３つの準単色光源に対応する高分解能画像をコンピュータ計算で再構成し、当該高分解能画像どうしを組み合わせて、カラー高分解能画像を生成することを特徴とする請求項８に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像装置。
【請求項１１】
前記可変照明装置が、発光素子の六角形アレイを具え、前記発光素子の各々が、前記複数の入射角のうちの１つから照射を与えることを特徴とする請求項１に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像装置。
【請求項１２】
前記発光素子の各々が、１つ以上の発光ダイオードの組であることを特徴とする請求項１１に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像装置。
【請求項１３】
前記重複領域どうしは、２０％〜９０％の面積がオーバラップすることを特徴とする請求項１に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像装置。
【請求項１４】
前記重複領域どうしは、２％〜９９．５％の面積がオーバラップする
ことを特徴とする請求項１に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像装置。
【請求項１５】
前記重複領域どうしは、約６６％の面積がオーバラップすることを特徴とする請求項１に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像装置。
【請求項１６】
前記プロセッサは、さらに、前記標本の合焦面に向けて自動的にリフォーカスすることを特徴とする請求項１に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像装置。
【請求項１７】
前記プロセッサが、前記検出器の一部分であることを特徴とする請求項１に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像装置。
【請求項１８】
前記高分解能画像を表示するディスプレイをさらに具えていることを特徴とする請求項１に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像装置。
【請求項１９】
フーリエ・タイコグラフィー撮像の方法であって、
可変照明装置を用いて、複数の入射角から標本を照射するステップと；
光学素子を用いて、前記標本から出る光をフィルタ処理するステップと；
検出器を用いて、前記標本の可変的照射による複数の低分解能輝度画像を捕捉するステップと；
前記可変的照射による低分解能輝度画像の重複領域を、フーリエ空間内で反復的に更新することによって、前記標本の高分解能画像をコンピュータ計算で再構成するステップと
を含むことを特徴とするフーリエ・タイコグラフィー撮像方法。
【請求項２０】
前記重複領域の各々が、前記光学素子の近似された光伝達関数に対応することを特徴とする請求項１９に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像方法。
【請求項２１】
前記可変的照射による低分解能輝度画像の重複領域を、フーリエ空間内で反復的に更新することによって、前記標本の高分解能画像をコンピュータ計算で再構成するステップが：
前記可変的照射による低分解能輝度画像の各々を、複数の可変的照射による低分解能輝度タイル画像に分割するステップと；
前記可変的照射による低分解能輝度タイル画像の重複領域を、フーリエ空間内で反復的に更新することによって、前記タイル毎に高分解能画像を復元するステップと；
前記タイルの高分解能画像どうしを組み合わせるステップと
を含むことを特徴とする請求項１９に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像方法。
【請求項２２】
前記高分解能画像をリフォーカスするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像方法。
【請求項２３】
前記高分解能画像を自動でリフォーカスするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像方法。
【請求項２４】
前記可変的照射による低分解能輝度画像の重複領域を、フーリエ空間内で反復的に更新することによって、前記標本の高分解能画像をコンピュータ計算で再構成するステップが：
(a) 現在の高分解能画像をフーリエ空間内で初期化するステップと；
(b) 前記現在の高分解能画像の重複領域をフーリエ空間内でフィルタ処理して、前記複数の入射角のうち１つの入射角について低分解能画像を生成するステップと；
(c) 前記低分解能画像の輝度を、輝度測定値に置き換えるステップと；
(d) フーリエ空間内の前記重複領域を、測定された輝度を有する前記低分解能画像で更新するステップと
を含むことを特徴とする請求項１９に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像方法。
【請求項２５】
前記複数の入射角について、ステップ(b)、(c)、及び(d)を実行することを特徴とする請求項２４に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像方法。
【請求項２６】
前記現在の高分解能画像が収束するまで、ステップ(b)、(c)、及び(d)を反復することを特徴とする請求項２４に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像方法。
【請求項２７】
位相係数を導入するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像方法。
【請求項２８】
フーリエ・タイコグラフィー撮像の方法であって、
標本の可変的照射による複数の低分解能輝度画像を受けるステップと；
前記可変的照射による低分解能画像の重複領域を、フーリエ空間内で反復的に更新することによって、高分解能画像をコンピュータ計算で再構成するステップと
を含むことを特徴とするフーリエ・タイコグラフィー撮像方法。
【請求項２９】
前記重複領域の各々が、光学素子の近似された光伝達関数に対応することを特徴とする請求項２８に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像方法。
【請求項３０】
前記可変的照射による低分解能画像の重複領域を、フーリエ空間内で反復的に更新することによって、高分解能画像をコンピュータ計算で再構成するステップが：
前記可変的照射による低分解能輝度画像の各々を、複数の可変的照射による低分解能輝度タイル画像に分割するステップと；
前記可変的照射による低分解能輝度タイル画像の重複領域を、フーリエ空間内で反復的に更新することによって、高分解能画像をタイル毎に復元するステップと；
前記タイルの高分解能画像を組み合わせるステップと
を含むことを特徴とする請求項２８に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像方法。
【請求項３１】
前記可変的照射による低分解能画像の重複領域を、フーリエ空間内で反復的に更新することによって、高分解能画像をコンピュータ計算で再構成するステップが：
(a) 現在の高分解能画像をフーリエ空間内で初期化するステップと；
(b) 前記現在の高分解能画像の重複領域を、フーリエ空間内でフィルタ処理して、複数の入射角のうち１つの入射角について低分解能画像を生成するステップと；
(c) 前記低分解能画像の輝度を、輝度測定値に置き換えるステップと；
(d) フーリエ空間内の前記重複領域を、測定された輝度を有する前記低分解能画像で更新するステップと
を含むことを特徴とする請求項２８に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像方法。
【請求項３２】
ステップ(b)、(c)、及び(d)を、前記複数の入射角について実行することを特徴とする請求項３１に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像方法。
【請求項３３】
前記現在の高分解能画像が収束するまで、ステップ(b)、(c)、及び(d)を反復することを特徴とする請求項３１に記載のフーリエ・タイコグラフィー撮像方法。
【請求項３４】
標本の可変的照射による複数の低分解能輝度Ｘ線画像を捕捉するアセンブリと；
フーリエ空間内の重複領域を、前記可変的照射による低分解能輝度Ｘ線画像で反復的に更新することによって、前記標本の高分解能Ｘ線画像をコンピュータ計算で再構成するためのプロセッサと
を具えていることを特徴とするフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像システム。
【請求項３５】
前記アセンブリが、Ｘ線光学素子及びＸ線放射検出器を具え、当該Ｘ線光学素子及びＸ線放射検出器は、前記標本と共に剛体的に可動であり、
前記Ｘ線光学素子が、前記標本と前記Ｘ線放射検出器との間にあり、
前記Ｘ線放射検出器は、前記Ｘ線光学素子によって投射されるＸ線放射に基づいて、前記標本の前記複数の低分解能輝度Ｘ線画像を捕捉することを特徴とする請求項３４に記載のフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像システム。
【請求項３６】
前記アセンブリを移動させて、静止したＸ線放射源からのＸ線放射を、前記複数の入射角から前記標本に指向させるためのメカニズムをさらに具えていることを特徴とする請求項３５に記載のフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像システム。
【請求項３７】
前記アセンブリを装着するためのステージをさらに具え、
前記メカニズムが、前記アセンブリを回転させて前記複数の入射角からＸ線放射を指向させるように、前記ステージを移動させることを特徴とする請求項３６に記載のフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像システム。
【請求項３８】
前記Ｘ線光学素子がゾーンプレートであることを特徴とする請求項３４に記載のフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像システム。
【請求項３９】
前記Ｘ線光学素子が斜入ミラーであることを特徴とする請求項３４に記載のフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像システム。
【請求項４０】
前記重複領域は、４０％〜６０％の面積が重複していることを特徴とする請求項３４に記載のフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像システム。
【請求項４１】
前記重複領域は、約６６％の面積が重複していることを特徴とする請求項３４に記載のフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像システム。
【請求項４２】
前記プロセッサは、さらに、前記標本を自動的にリフォーカスすることを特徴とする請求項３４に記載のフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像システム。
【請求項４３】
前記高分解能Ｘ線画像を表示するディスプレイをさらに具えていることを特徴とする請求項３４に記載のフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像システム。
【請求項４４】
フーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像の方法であって、
標本の可変的照射による複数の低分解能輝度Ｘ線画像を、複数の入射角に基づいて取得するステップと；
前記可変的照射による低分解能輝度Ｘ線画像の重複領域を、フーリエ空間内で反復的に更新することによって、前記標本の高分解能画像をコンピュータ計算で再構成するステップと
を含むことを特徴とするフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像方法。
【請求項４５】
Ｘ線光学素子及びＸ線放射検出器を具えたアセンブリを移動させて、Ｘ線放射を複数の入射角から前記標本に与えるステップと；
前記標本から出るＸ線放射を、前記Ｘ線光学素子を用いてフィルタ処理するステップと；
前記Ｘ線光学素子によって投射されるＸ線放射に基づいて、前記可変的照射による複数の低分解能Ｘ線画像を、前記Ｘ線放射検出器で捕捉するステップと
をさらに含むことを特徴とする請求項４４に記載のフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像方法。
【請求項４６】
前記標本の可変的照射による複数の低分解能輝度Ｘ線画像を、複数の入射角に基づいて取得するステップが、前記複数の可変的照射による低分解能輝度Ｘ線画像を、前記Ｘ線光学素子によって伝播されるＸ線放射に基づいて捕捉するステップを含むことを特徴とする請求項４４に記載のフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像方法。
【請求項４７】
前記可変的照射による低分解能輝度Ｘ線画像の重複領域を、フーリエ空間内で反復的に更新することによって、前記標本の高分解能画像をコンピュータ計算で再構成するステップが、
前記可変的照射による低分解能輝度Ｘ線画像を、複数の可変的照射による低分解能輝度タイルＸ線画像に分割するステップと；
前記可変的照射による低分解能輝度タイルＸ線画像の重複領域を、フーリエ空間内で反復的に更新することによって、前記タイル毎に高分解能Ｘ線画像を復元するステップと；
前記タイルのうち２つ以上の前記高分解能画像を組み合わせるステップと
を含むことを特徴とする請求項４４に記載のフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像方法。
【請求項４８】
前記可変的照射による低分解能輝度Ｘ線画像の重複領域を、フーリエ空間内で反復的に更新することによって、前記標本の高分解能画像をコンピュータ計算で再構成するステップが、
(a) 現在の高分解能Ｘ線画像を、フーリエ空間内で初期化するステップと；
(b) 前記現在の高分解能Ｘ線画像の重複領域を、フーリエ空間内でフィルタ処理して、前記複数の入射角のうち１つの入射角について、低分解能Ｘ線画像を生成するステップと；
(c) 前記低分解能Ｘ線画像の輝度を、輝度測定値に置き換えるステップと；
(d) フーリエ空間内の前記重複領域を、測定された輝度を有する前記低分解能Ｘ線画像で更新するステップと
を含むことを特徴とする請求項４４に記載のフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像方法。
【請求項４９】
ステップ(b)、(c)、及び(d)を、前記複数の入射角について実行することを特徴とする請求項４８に記載のフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像方法。
【請求項５０】
前記現在の高分解能Ｘ線画像が収束するまで、ステップ(b)、(c)、及び(d)を反復することを特徴とする請求項４８に記載のフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像方法。
【請求項５１】
Ｘ線放射を、複数の入射角から標本に与えるべく旋回するように構成された発光素子と；
Ｘ線光学素子と；
前記Ｘ線光学素子からのＸ線放射に基づいて、前記標本の可変的照射による複数の低分解能輝度Ｘ線画像を捕捉するＸ線放射検出器と；
フーリエ空間内の重複領域を、前記可変的照射による低分解能輝度Ｘ線画像で反復的に更新することによって、前記標本の高分解能Ｘ線画像をコンピュータ計算で再構成するためのプロセッサと
を具えていることを特徴とするフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願のクロスリファレンス
本願は、米国特許仮出願第６１／７２０２５８号、発明の名称”Breaking the Spatial Product Barrier via Non-Interferometric Aperture-Synthesizing Microscopy (NAM)”, ２０１２年１０月２０日出願の非仮出願であり、この米国特許仮出願、及び米国特許仮出願第６１／８４７４７２号、発明の名称”Fourier Ptychographic Microscopy”、２０１３年７月１７日出願に基づいて優先権を主張する。これらの仮出願は、すべての目的でその全文を参照する形で本明細書に含める。
【０００２】
発明の背景
本発明の好適例は、一般に、広視野・高分解能のデジタル撮像技術に関するものである。より具体的には、特定の好適例は、広視野・高分解能撮像用のフーリエ・タイコグラフィー撮像（ＦＰＩ：Fourier ptychographic imaging）装置、システム、及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来の撮像プラットフォーム（例えば、顕微鏡）の性能は、一般に、その光学系によって決まる空間帯域幅積によって制限される。空間帯域幅積とは、光学系が光信号から抽出することができる自由度数（例えば、分解可能な画素（ピクセル）の数）を称し、Lohmann, A. W., Doesch, R. G., Mendlovic, D., Z. & Ferreira, C., “Space-bandwidth product of optical signals and systems”, J. Opt. Soc. Am. A 13, p.470-473 (1996)（非特許文献１）に記載され、この文献は、その全文を参照する形で本明細書に含める。従来型顕微鏡は、一般に、その対物レンズの倍率または開口数（ＮＡ：numerical aperture）にかかわらず、１０メガピクセルのオーダーの空間帯域幅積で動作する。例えば、ＮＡ０．４０の２０倍対物レンズを有する従来型顕微鏡は、０．８mmの分解能及び直径１．１mmの視野を有し、これは約７メガピクセルの空間帯域幅積に相当する。従来型顕微鏡の空間帯域幅積を増加させる以前の試みは、その対物レンズのスケール依存性の幾何学的収差に惑わされ、こうした幾何学的収差は、画像分解能と視野との妥協を生じさせる。従来の撮像プラットフォームの空間帯域幅積を増加させることは、１）その光学系のスケール依存性の幾何学的収差、２）リレー光学系の固定された機械的長さ、及び対物レンズの固定された同一焦点距離の制約、及び／または、３）ギガピクセルのデジタル記録装置の利用可能性によって制限され得る。
【０００４】
干渉法による合成開口技術を用いて空間帯域幅積を増加させるいくつかの試みは、Di, J. et al., “High resolution digital holographic microscopy with a wide field of view based on a synthetic aperture technique and use of linear CCD scanning”, Appl. Opt. 47, p.5654-5659 (2008)（非特許文献２）、Hillman, T. R., Gutzler, T., Alexandrov, S. A., and Sampson, D. D., “High-resolution, wide-field object reconstruction with synthetic aperture Fourier holographic optical microscopy”, Opt. Express 17, p.7873-7892 (2009)（非特許文献３）、Granero, L., Mico, V., Zalevsky, Z., and Garcia, J., “Synthetic aperture superresolved microscopy in digital lensless Fourier holography by time and angular multiplexing of the object information”, Appl. Opt. 49, p.845-857 (2010)（非特許文献４）、Kim, M. et al., “High-speed synthetic aperture microscopy for live cell imaging”, Opt. Lett. 36, p.148-150 (2011)（非特許文献５）、Turpin, T., Gesell, L., Lapides, J., and Price, C., “Theory of the synthetic aperture microscope”, p.230-240（非特許文献６）、Schwarz, C. J., Kuaznesova, Y., and Brueck, S., “Imaging interferometric microscopy”, Optics Letters 28, p.1424-1426 (2003)（非特許文献７）、Feng, P., Wen, X., and Lu, R., “long-working-distance synthetic aperture Fresnel off-axis digital holography”, Optics express 17, p.5473-5480 (2009)（非特許文献８）、Mico, V., Zalevsky, Z., Garcia-Martinez, P., and Garcia, J., “Synthetic aperture superresolution with multiple off-axis holograms”, JOSA A 23, p.3162-3170 (2006)（非特許文献９）、Yuan, C., Zhai, H., and Liu, H., “Angular multiplexing in pulsed digital holography for aperture synthesis”, Optics Letters 33, p.2356-2358 (2008)（非特許文献１０）、Mico, V., Zelevsky, Z., and Garcia, J., “Synthetic aperture microscopy using off-axis illumination and polarization coding”, Optics Communications, p.276, 209-217 (2007)（非特許文献１１）、Alexanfrov, S., and Sampson, D., “Spatial information transmission beyond a system’s diffraction limit using optical spectral encoding of the spatial frequency”, Journal of Optics A: Pure and Applied Optics 10, 025304 (2008)（非特許文献１２）、Tippe, A. E., kumar, A., and Fienup, J. R., “High-resolution synthetic-aperture digital holography with digital phase and pupil correction”, Opt. Express 19, p.12027-12038 (2011)（非特許文献１３）、Gutzler, T., Hillman, T. R., Alexandrov, S. A., and Sampson, D. D., “Coherent aperture-synthesis, wide-field, high-resolution holographic microscopy of biological tissue”, Opt. Lett. 35, p.1136-1138 (2010)（非特許文献１４）、及びAlexandrov, S. A., Hillman, T. R., Gutzler, T., and Sampson, D. D., “Synthetic aperture Fourier holographic optical microscopy”, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 339, p.521-553 (1992)（非特許文献１５）に記載され、これらの文献は、その全文を参照する形で本明細書に含める。これらの試みの大部分は、オフライン・ホログラフィー及び位相シフト・ホログラフィーのような干渉法によるホログラフィー法を用いる装置を用いて輝度及び位相情報を共に記録する設定を用いている。次に、記録されたデータを、フーリエ領域内で、決定論的方法で合成する。
【０００５】
干渉法による合成開口技術を用いて空間帯域幅積を増加させるこれらの以前の試みには、限界がある。例えば、これらの技術において一般に用いられる干渉法によるホログラフィー記録は、高度にコヒーレントな（可干渉性の）光源を必要とする。このため、再構成された画像は、スペックルノイズ、（ビーム経路中の塵埃粒子及び他の光学的欠陥による回折によって導入される）固定パターンノイズ、及び異なる光学的界面間の複数の干渉のような種々のコヒーレントノイズ源が問題となりやすい。従って、画像品質は、従来型顕微鏡の画像品質と同等でなくなる。他方では、軸外れ（オフアクシス）ホログラフィー法の利用は、画像センサの有効な空間帯域幅積（即ち、総画素数）を犠牲にし、これについては、Schnars, U. and Juptner, W. P. O., “Digital recording and numerical reconstruction of holograms”, Measurement Science and Technology, 13, R85 (2002)（非特許文献１６）に見出され、この文献は、その全文を参照する形で本明細書に含める。他の限界は、干渉法による撮像は、異なる測定間で、制御不可能な位相ゆらぎが生じ得ることである。従って、画像復元プロセスにおける基準点（位相指示点としても知られている）を設定するためには、標本位置の先験的で正確な知識が必要になる。他の限界は、前に報告した試みが、試料を回転させるためにも、照射角を変化させるためにも、機械的走査を必要とすることにある。従って、精密な光学的位置合わせ、サブミクロンレベルの機械的制御、及び関連する保守が、これらのシステムにとって必要になる。空間帯域幅積の意味で、これらのシステムは、試料走査及び画像のつなぎ合わせを伴う従来型顕微鏡に比べて利点を呈さない。他の限界は、以前の干渉法による開口合成技術は、大部分の既存の顕微鏡プラットフォームを大幅に変更せずに内蔵させることが困難であることにある。さらに、これらのプラットフォーム上では、カラー撮像能力が実証されていない。カラー撮像能力は、病理学及び組織学用途において極めて重要であることが証明されている。
【０００６】
顕微鏡法では、デジタル病理学、血液学、植物解剖学、免疫組織化学、及び神経解剖学のような生物医学用途向けに、大きな空間帯域幅積が大いに望まれる。生物医学及び神経科学において、非常に多数の組織スライドを分析用にデジタル撮像する強い必要性が、機械走査式顕微鏡システム及びレンズなし顕微鏡装置の開発を促した。一般に、これらのシステムは、作動（アクチュエーション）、光学的位置合わせ（アライメント）、及び動き追跡を制御するために、高い精度及び精密な構成部品を有する複雑な機械的手段を用いて、その空間帯域幅積を増加させている。これらの複雑な構成部品は、製造が高価になり、使いにくくなり得る。
【０００７】
デジタル・インライン・ホログラフィー及び接触撮像顕微鏡法のような以前のレンズなし顕微鏡法は、ある種の欠点ももたらす。例えば、従来のデジタル・インライン・ホログラフィーは、連続した試料に対しては良好に機能せず、接触撮像顕微鏡法は、試料をセンサに近接させることを必要とする。デジタル・インライン・ホログラフィー装置の例は、Denis, L., Lorenz, D., Thiebaut, E., Fournier, C. and Trede, D., “inline hologram reconstruction with sparsity constraints”, Opt. let. 34, p.3475-3477 (2009)（非特許文献１７）、Xu, W., Jericho, M., Meinertzhagen, I., and Kreuzer, H., “Digital in-line holography for biological applications”, Proc. Natl Acad. Sci. USA 98, p.11301-11305 (2001)（非特許文献１８）、Greenbaum, A. et al., “Increased space-bandwidth product in pixel super-resolved lensfree on-chip microscopy”, Sci. Rep. 3, p.1717 (2003)（非特許文献１９）、Zheng, G., Lee, S. A., Antebi, Y., Elowitz, M. B. and Yang, C., “The ePetri dish, an on-chip cell imaging platform based on subpixel perspective sweeping microscopy (SPSM)”, Proc. Natl Acad. Sci. USA 108, p.16889-16894（非特許文献２０）、及びZheng, G., Lee, S. A., yang, S. & Yang, C., “Sub-pixel resolving optofluidic microscope for on-chip cell imaging”, Lab Chip 10, p.3125-3129 (2010)（非特許文献２１）中に見出すことができ、これらの文献は、その全文を参照する形で本明細書に含める。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第１９９９／０５３４６９号パンフレット
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Lohmann, A. W., Doesch, R. G., Mendlovic, D., Z. & Ferreira, C., “Space-bandwidth product of optical signals and systems”, J. Opt. Soc. Am. A 13, p.470-473 (1996)
【非特許文献２】Di, J. et al., “High resolution digital holographic microscopy with a wide field of view based on a synthetic aperture technique and use of linear CCD scanning”, Appl. Opt. 47, p.5654-5659 (2008)
【非特許文献３】Hillman, T. R., Gutzler, T., Alexandrov, S. A., and Sampson, D. D., “High-resolution, wide-field object reconstruction with synthetic aperture Fourier holographic optical microscopy”, Opt. Express 17, p.7873-7892 (2009)
【非特許文献４】Granero, L., Mico, V., Zalevsky, Z., and Garcia, J., “Synthetic aperture superresolved microscopy in digital lensless Fourier holography by time and angular multiplexing of the object information”, Appl. Opt. 49, p.845-857 (2010)
【非特許文献５】Kim, M. et al., “High-speed synthetic aperture microscopy for live cell imaging”, Opt. Lett. 36, p.148-150 (2011)
【非特許文献６】Turpin, T., Gesell, L., Lapides, J., and Price, C., “Theory of the synthetic aperture microscope”, p.230-240
【非特許文献７】Schwarz, C. J., Kuaznesova, Y., and Brueck, S., “Imaging interferometric microscopy”, Optics Letters 28, p.1424-1426 (2003)
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【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明の概要
本発明の好適例は、例えば、デジタル病理学、血液学、半導体ウェハー検査、及びＸ線及び電子撮像用の、広視野・高分解能撮像用の、フーリエ・タイコグラフィー撮像（ＦＰＩ）方法、装置、及びシステムを提供する。ＰＦＩ装置の例は、フーリエ・タイコグラフィー顕微鏡（ＦＰＭ：Fourier ptychographic microscope）であり、干渉法によらない開口合成顕微鏡法（ＮＡＭ：non-interferometric aperture-synthesizing microscopy）を用いるものと称することもできる。
【００１１】
一部の好適例では、ＦＰＩシステムが、可変照明装置、光学素子、放射検出器、及びプロセッサを含む。可変照明装置は、Ｎ通りの異なる入射角から、異なるサンプル時刻に標本を照射する。光学素子は、標本から出る光をフィルタ処理する。放射検出器は、可変的照射による（遠近法の）複数の低分解能輝度画像を捕捉する。プロセッサは、フーリエ空間内の重複領域の、可変的照射による低分解能画像を反復的につなぎ合わせて、広視野・高分解能の画像を復元する。特定の実施形態では、ＦＰＩ装置が、収差を補正して、複雑な高分解能画像をデジタル的にリフォーカス（後処理による焦点合わせ）することもでき、このことは、ＦＰＩシステムの焦点深度を、その光学素子の物理的限界を超えてデジタル的に拡張することができる。
【００１２】
１つの好適例は、フーリエ・タイコグラフィー撮像装置を提供し、この装置は、複数の入射角から標本の照射を行う可変照明装置、標本から出る照射をフィルタ処理する光学素子、及び光学素子によってフィルタ処理された光に基づいて、標本の可変的照射による複数の低分解能輝度画像を取得する検出器を具えている。このフーリエ・タイコグラフィー撮像装置は、フーリエ空間内の重複領域を、可変的照射による低分解能輝度画像で反復的に更新することによって、標本の高分解能画像をコンピュータ計算で再構成するためのプロセッサも具えている。１つの場合には、上記可変照明装置が発光素子（例えば、発光ダイオード）の二次元マトリクスであり、各発光素子が、複数の入射角のうちの１つから照射を与える。
【００１３】
他の好適例は、フーリエ・タイコグラフィー撮像の方法を提供する。この方法は、撮像する標本を、可変照明装置を用いて複数の入射角から照射し、標本から出る（例えば、標本によって散乱される）光を、光学素子を用いてフィルタ処理する。また、この方法は、標本の可変的照射による複数の低分解能輝度画像を、検出器を用いて捕捉する。また、この方法は、可変的照射による低分解能輝度画像の重複領域を、フーリエ空間内で反復的に更新することによって、標本の高分解能画像を再構成する。１つの場合には、この方法は、現在の高分解能画像をフーリエ空間内で初期化し、現在の高分解能画像の重複領域をフーリエ空間内でフィルタ処理して、上記複数の入射角のうち１つの入射角について低分解能画像を生成し、この低分解能画像の輝度を、ある１つの輝度測定値に置き換え、そして、フーリエ空間内の重複領域を、測定された輝度を有するこの低分解能画像で更新する。この場合、フィルタ処理、置き換え、及び更新のステップは、複数の入射角について実行することができる。他の場合には、この方法は、可変的照射による低分解能輝度画像の各々を、複数の可変的照射による低分解能輝度タイル画像に分割し、タイル毎に、可変的照射による低分解能タイル画像の重複領域を、フーリエ空間内で反復的に更新することによって高分解能画像を復元し、タイルの高分解能画像を組み合わせて、標本の高分解能画像を生成する。
【００１４】
他の好適例は、フーリエ・タイコグラフィー撮像の方法を提供し、この方法は、標本の可変的照射による複数の低分解能輝度画像を受信し、可変的照射による低分解能輝度画像の重複領域を、フーリエ空間内で反復的に更新することによって、標本の高分解能画像をコンピュータ計算で再構成する。１つの場合には、この方法は、可変的照射による低分解能輝度画像の各々を、複数の可変的照射による低分解能輝度タイル画像に分割し、可変的照射による低分解能輝度タイル画像の重複領域を、フーリエ空間内で反復的に更新することによって、タイル毎に高分解能画像を復元し、これらのタイルの高分解能画像を組み合わせる。他の場合には、この方法は、現在の高分解能画像をフーリエ空間内で初期化し、現在の高分解能画像の重複領域をフーリエ空間内でフィルタ処理して、複数の入射角のうち１つの入射角について低分解能画像を生成し、この低分解能画像の輝度を、ある１つの輝度測定値に置き換え、そして、フーリエ空間内の重複領域を、測定した輝度を有するこの低分解能画像で更新する。この場合、フィルタ処理、置き換え、及び更新のステップは、複数の入射角について実行することができる。
【００１５】
特定の好適例は、Ｘ線撮像用のＦＰＩシステム及び装置、及びＸ線撮像のＦＰＩシステム及び装置を用いた方法を提供する。１つの好適例は、フーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像装置を提供し、この装置は、標本の可変的照射による複数の低分解能輝度Ｘ線画像を捕捉するアセンブリを具えている。このフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像装置は、フーリエ空間内の重複領域を、可変的照射による低分解能輝度Ｘ線画像で反復的に更新することによって、標本の高分解能Ｘ線画像をコンピュータ計算で再構成するプロセッサをさらに具えている。１つの場合には、上記アセンブリがＸ線光学素子及びＸ線放射検出器を具え、これらは標本と一緒に剛体的に可動である。Ｘ線光学素子は、標本とＸ線放射検出器との間にある。Ｘ線放射検出器は、Ｘ線光学素子によって投射されたＸ線放射に基づいて、複数の低分解能輝度画像を捕捉する。この場合、上記フーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像装置は、静止したＸ線放射源からのＸ線放射を、複数の入射角から標本へ指向させるように、上記アセンブリを移動させるためのメカニズムを具えることもできる。
【００１６】
他の好適例は、フーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像の方法を提供する。この方法は、複数の入射角に基づく、標本の可変的照射による複数の低分解能輝度Ｘ線画像を取得し、可変的照射による低分解能輝度Ｘ線画像の重複領域を、フーリエ空間内で反復的に更新することによって、標本の高分解能Ｘ線画像をコンピュータ計算で再構成する。１つの場合には、この方法は、Ｘ線光学素子及びＸ線放射検出器を具えたアセンブリを移動させて、Ｘ線放射を複数の入射角から標本に与えるステップをさらに含む。この場合、この方法は、標本から出るＸ線放射を、Ｘ線光学素子を用いてフィルタ処理するステップ、及びＸ線光学素子によって投射されるＸ線放射に基づいて、複数の可変的照射による低分解能輝度Ｘ線画像を、Ｘ線放射検出器で捕捉するステップを、さらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】本発明の実施形態によるＦＰＩシステムの構成要素の概略図である。
【図１Ｂ】図１ＡのＦＰＩ装置の一部の構成要素の概略側面図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態による、１００個の発光素子の二次元（１０×１０）マトリクス形式の可変照明装置を具えたＦＰＩ装置の概略図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態による、モジュール形式の構成要素を有するＦＰＩシステムの写真である。
【図２Ｃ】図２ＢのＦＰＩ装置の可変照明装置の発光素子のうち１つの写真である。
【図３】本発明の実施形態によるＦＰＩ装置の構成要素の概略側面図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態によるＦＰＩ装置の構成要素の概略側面図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態によるＦＰＩ装置の構成要素の概略側面図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態によるＦＰＩ方法の、測定プロセス（中央）及び復元プロセス（右側）の概略表現を含む図である。
【図５Ｂ】図５Ｂ(1)、５Ｂ(2)、５Ｂ(3)、５Ｂ(4)、５Ｂ(5)、５Ｂ(6)、５Ｂ(7)、５Ｂ(8)、及び５Ｂ(9)は、図５Ａにおいて紹介したＦＰＩ方法によって取得された９つの低分解能の測定結果を示す図であり、図５Ｂ(12)は、図５Ｂ(1)、５Ｂ(2)、５Ｂ(3)、５Ｂ(4)、５Ｂ(5)、５Ｂ(6)、５Ｂ(7)、５Ｂ(8)、及び５Ｂ(9)の低分解能の測定結果に関連するフーリエ空間内で更新された領域を示す図であり、図５Ｂ(10)及び５Ｂ(11)は、図５Ｂ(12)の更新から生じた高分解能の輝度及び位相の復元画像を示す図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態によるＦＰＩシステムによって実行されるＦＰＩ方法のフローチャートである。
【図６Ｂ】本発明の実施形態による、図６Ａのステップ１５００のサブステップのフローチャートである。
【図６Ｃ】本発明の実施形態による、ＬＥＤマトリクス形式の発光素子を有するＦＰＩ装置の構成要素の概略図である。
【図６Ｄ】本発明の実施形態による、ＬＥＤマトリクス形式の発光素子を有するＦＰＩ装置の構成要素の概略図である。
【図６Ｅ】図６Ａ及び６Ｂを参照して説明したＦＰＩ方法のステップを例示する図ある。
【図６Ｆ】図６Ａ及び６Ｂを参照して説明したＦＰＩ方法のステップを他に例示する図である。
【図７Ａ】図７Ａ(1)、７Ａ(2)、７Ａ(3)、７Ａ(4)、及び７Ａ(5)は、図６Ａ及び６ＢのＦＰＩ方法を実行して生じた画像である。
【図７Ｂ】図７Ｂ(1)、７Ｂ(2)、７Ｂ(3)、７Ｂ(4)、７Ｂ(5)、及び７Ｂ(6)は、図６Ａ及び６ＢのＦＰＩ方法を、種々の異なる入射角数Ｎ（Ｎ＝５、６４、及び１３７）で実行して生じる画像である。
【図８Ａ】本発明の実施形態による、タイル撮像によるＦＰＩ方法のフローチャートである。
【図８Ｂ】本発明の実施形態による、画像ブレンディングを用いたタイル撮像によるＦＰＩ方法を実行した結果の画像である。
【図９Ａ】本発明の実施形態による、デジタル波面補正付きのＦＰＩ方法を示す図である。
【図９Ｂ】本発明の実施形態による、デジタル波面補正付きのＦＰＩ方法を実現するＦＰＩ装置の概略図である。
【図１０Ａ】本発明の実施形態による、デジタル・リフォーカシング付きのＦＰＩ方法とデジタル・リフォーカシングなしのＦＰＩ方法とを比較した、数値シミュレーションによる画像である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂ(1)〜(16)は、本発明の実施形態によるデジタル・リフォーカシング付きのＦＰＩ方法を、図２Ｂに示すＦＰＩ装置１００(a)を用いて実行した実験結果を示す図であり、図１０Ｂ(1)は、一実施形態による、デジタル・リフォーカシング付きのＦＰＩ方法を実行するＦＰＩ装置の実験設定の概略図であり、図１０Ｂ(2)〜(16)は、図１０Ｂ(1)の実験設定による、デジタル・リフォーカシング付きのＦＰＩ方法を実行した実験結果の画像である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃ(1)〜(7)は、図１０Ｂ(1)〜１０Ｂ(16)に関して説明した実験のより詳細な結果を含む図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄ(1)〜(3)は、本発明の実施形態による、デジタル・リフォーカシング付きのＦＰＩ方法とデジタル・リフォーカシングなしのＦＰＩ方法とを比較して実行した実験結果の画像である。
【図１０Ｅ】図１０Ｅ(1)、１０Ｅ(2)、１０Ｅ(3)、１０Ｅ(4)、１０Ｅ(5)、１０Ｅ(6)、１０Ｅ(7)、及び１０Ｅ(8)は、本発明の実施形態による、ＦＰＩシステムを用いて、血液塗抹標本及び病状スライド中の色収差を補正するデジタル・リフォーカシング付きのＦＰＩ方法を実行した代表的な結果を提供する図である。
【図１０Ｆ】図１０Ｆ(1)、１０Ｆ(2)、１０Ｆ(3)、１０Ｆ(4)、１０Ｆ(5)、１０Ｆ(6)、及び１０Ｅ(7)は、本発明の実施形態による、デジタル・リフォーカシング付きのＦＰＩ方法を実行するＦＰＩシステムを用いた実験結果を含む図である。
【図１１Ａ】図１１Ａ(1)は、従来型顕微鏡の２倍及び２０倍の対物レンズの両者について、病状スライドの視野を比較して例示する写真であり、図１１Ａ(2)及び１１Ａ(3)は、従来型顕微鏡における２倍対物レンズについて開口数を例示する画像であり、図１１Ａ(4)及び１１Ａ(5)は、従来型顕微鏡における２０倍対物レンズについて開口数を例示する画像であり、図１１Ａ(6)及び１１Ａ(7)は、本発明の実施形態によるＦＰＩシステムの視野及び対応する最大ＮＡを示すカラー画像である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂ(1)〜(21)は、本発明の実施形態によるカラー撮像ＦＰＩシステムを用いて生じた画像である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃ(1)、１１Ｃ(2)、１１Ｃ(3)、１１Ｃ(4)、１１Ｃ(5)、及び１１Ｃ(6)は、本発明の実施形態によるカラー撮像ＦＰＩシステムの画像品質を、異なる対物レンズ間で比較して示す画像である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄ(1)〜(10)は、本発明の実施形態による、ＦＰＩ方法をカラー撮像ＦＰＩシステム１０により、病状スライド及び血液塗抹標本の両方に用いて得られた位相及びカラー画像である。
【図１２】本発明の実施形態によるＦＰＩシステム１０内に存在することができるサブシステムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
発明の詳細な説明
以下、本発明の実施形態を、添付した図面を参照しながら説明する。ここでは、ＦＰＩシステム、装置、及び方法の実施形態を、可視の光放射による照射に関して説明することがあるが、これらのＦＰＩシステム、装置、及び方法は、例えば音波、テラヘルツ波、マイクロ波、及びＸ線のような他の放射の形態と共に用いることができる。
【００１９】
一部の実施形態は、可変照明装置、光学素子、放射検出器、及びプロセッサを具えたＦＰＩシステムを含む。可変照明装置は、撮像する標本を、Ｎ通りの異なる入射角の平面波で連続的に照射する。光学素子は、標本から出る光をフィルタ処理する。光学素子は、例えば対物レンズとすることができ、この対物レンズは、標本から出る光を、その開口数に基づいて受ける。一部の場合には、光学素子は低開口数の対物レンズとすることができ、この対物レンズは、開口数に対応する狭い受光角及び増加した被写界深度を提供する。放射検出器は、光学素子によってフィルタ処理された光を検出して、Ｎ通りの異なる入射角に対応するＮ個の低分解能輝度画像を捕捉する。プロセッサは、重複する低分解能輝度画像を、フーリエ空間内でつなぎ合わせて、標本の広視野・高分解能画像を復元する。特定の実施形態では、ＦＰＩ装置は、複雑な高分解能をデジタル的にリフォーカス（後処理による焦点合わせ）して、その光学素子におけるデフォーカス（焦点ぼけ）及び収差を調整することもでき、これにより、ＦＰＩシステムの焦点深度を、その光学素子の物理的限界を超えて拡張することができる。
【００２０】
特定の態様では、ＦＰＩシステムによって実行されるＦＰＩ方法が、測定プロセス、復元プロセス、及び随意的な表示プロセスを含む。測定プロセス中には、標本をＮ通りの入射角から連続的に照射して、対応する低分解能輝度画像を取得する。復元プロセス中には、低分解能の輝度測定値に基づいて、１つ以上の高分解能・広視野画像を復元する。随意的な表示プロセス中には、復元した画像及び他の出力を、ＦＰＩシステムのユーザにディスプレイ上で提供する。
【００２１】
Ｉ．ＦＰＩシステム及び装置の概論
ここでは、ＦＰＩ装置及びシステムを、可視の光放射（照射）に関して説明するが、特定の場合には、他の形態の放射（例えば、Ｘ線）を用いることができる。
【００２２】
図１Ａは、本発明の実施形態によるＦＰＩシステム１０の構成要素の概略図である。ＦＰＩシステム１０は、ＦＰＩシステム１００、及びＦＰＩシステム１００と電子通信するコンピュータ装置２００を具えている。図１Ａに例示するもののような特定の実施形態では、標本２０が、撮像用にＦＰＩ装置１００に設けられる。ＦＰＩ装置１００は、可変的照射を標本２０に与える可変照明装置１１０、標本２０から出る照射をフィルタ処理する光学素子１３０、及び受光した照射の輝度を検出する放射検出器１４０を具えている。コンピュータ装置２００は、プロセッサ２１０（例えば、マイクロプロセッサ）、コンピュータ可読媒体（ＣＲＭ：computer readable medium）２２０、及びディスプレイ２３０を具えている。
【００２３】
測定プロセス中には、可変照明装置１１０が、Ｎ通りの入射角からの照射
（外１）
2015535348.tif 000003
、ｉ＝１〜Ｎを標本２０に与える。可変照明装置１１０からの照射は、ＦＰＩ装置１００に設けた標本２０によって変更され得る（例えば、阻止、輝度の低減、波長／位相の変化、偏光の変化、等）。光学素子は、可変照明装置からの光を、例えば標本２０から出るものとして受光することができ、そして、受光した光をフィルタ処理することができる。例えば、光学素子１３０は対物レンズとすることができ、この対物レンズは、その受光角度内の光を受光して、フィルタとして機能する。一部の場合には、光学素子１３０を、低い開口数（例えば、約０．０８のＮＡ）を有する対物レンズとして、開口角に対応する狭い受光角を提供し、被写界深度の増加を可能にする。放射検出器１４０は、フィルタ処理された光を光学素子１３０から受光することができ、そして、放射検出器１４０における輝度分布を、Ｎ個のサンプル時刻ｔi=1〜Nに記録して、標本領域のＮ個の低分解能二次元輝度画像を捕捉することができる。
【００２４】
図１Ａでは、プロセッサ２１０が放射検出器１４０と電子通信して、標本領域のＮ個の低分解能輝度画像に対応する画像データを有する信号を受信し、この輝度画像は、標本２０の少なくとも一部分の画像を含むことができる。復元プロセス中には、プロセッサ２１０が、低分解能輝度画像を、フーリエ空間内で反復的に「つなぎ」合わせて、広視野・高分解能画像を復元することができる。特定の実施形態では、プロセッサ２１０が、高分解能画像をデジタル的にリフォーカスして、標本のあらゆる焦点ぼけ及び／または光学素子１３０における色収差を調整することもできる。この能力は、ＦＰＩシステム１０の焦点深度を、光学素子１３０の物理的限界を超えてデジタル的に拡張することができる。
【００２５】
プロセッサ２１０は、ＣＲＭ２２０（例えば、メモリ）と電子通信して、画像データを有する信号を送信して、ＣＲＭ２２０に画像データを記憶し、ＣＲＭ２２０から画像データを検索することを可能にする。プロセッサ２１０は、ディスプレイ２３０と電子通信して、画像データ及び命令を送信して、標本領域の画像及び他の出力を、例えば、ＦＰＩシステム１０のユーザに対して表示することができるように図示している。点線で示すように、可変照明装置１１０は、随意的に、プロセッサ２１０と電子通信して、可変照明装置１１０を制御するための命令を送信する。本明細書で用いる、ＦＰＩシステム１０の構成要素間の電子通信は、有線形式または無線形式にすることができる。
【００２６】
図１Ｂは、図１ＡのＦＰＩ装置１００の一部の構成要素の概略側面図である。図１Ｂでは、ＦＰＩ装置１００が、照射面１１１を有する可変照明装置１１０、光学素子１３０、及び検出面１４２を有する放射検出器１４０を具えている。放射検出器１４０は、光学素子１３０から距離をおいて示しているが、放射検出器１４０は、随意的に、光学素子１３０の所に配置することができる。
【００２７】
特定の実施形態では、ＦＰＩ装置が、合焦面１２２及び試料面１２４を具えている。焦点面１２２とは、対応するＦＰＩ装置の光学素子の焦点面を称することができる。ＦＰＩ装置は、合焦面１２２内のｘ軸及びｙ軸、及び合焦面１２２に直交するｚ軸を含む。この合焦面は、ｚ＝０におけるｘ−ｙ平面に規定される。試料面１２４とは、ＦＰＩ装置が高分解能・広視野画像をコンピュータ計算で再構成する平面を称することができる。ＦＰＩ装置は、合焦面１２２において、上記低分解能画像を捕捉する。一般に、試料面１２４は合焦面１２２に平行である。一部の実施形態では、試料面１２４を合焦面１２２と一致させることができる。オートフォーカス（自動焦点）の実施形態では、ＦＰＩシステム１０がＦＰＩ方法を実行することができ、このＦＰＩ方法は、標本２０の位置を測定して、試料面１２４を標本２０の所に置いて、高分解能・広視野画像を標本２０の所に焦点合わせすることができる。
【００２８】
図１Ｂでは、ＦＰＩ装置１００が、合焦面１２２をｚ＝０の所に含み、試料面をｚ＝ｚ0の所に含む。ＦＰＩ装置１００は、合焦面１２２内のｘ軸及びｙ軸（図示せず）、及び合焦面１２２に直交するｚ軸を含む。ＦＰＩ装置１００は、可変照明装置１１０と試料面１２４との間の距離ｄも含む。図示する例では、標本２０が、撮像のために、標本面１２６に配置されている。他の実施形態では、標本２０を、撮像目的で他の位置にすることができる。
【００２９】
図１Ｂでは、測定プロセス中の特定のサンプル時刻ｔiにおけるＦＰＩ装置１００を示している。サンプル時刻ｔiにおいて、可変照明装置１１０は、試料面１２４における
（外２）
2015535348.tif 000004
の入射角に関連する波動ベクトル
（外３）
2015535348.tif 000005
で入射照射を与える。この図示はｘ−ｚ平面内の側面図であるので、入射角のｘ成分
（外４）
2015535348.tif 000006
のみを示している。
【００３０】
図１Ｂでは、光学素子１３０が、標本２０から出る光を受光してフィルタ処理する。光学素子１３０によってフィルタ処理された光は、放射検出器１４０の検出面１４２で受光される。放射検出器１４０は、フィルタ処理された光の輝度分布を検出して、標本領域の低分解能画像を捕捉する。サンプル時刻ｔiにおけるＦＰＩ装置１００を示しているが、ＦＰＩ装置１００は、Ｎ個のサンプル時刻ｔi=1〜Nの期間中に動作して、Ｎ通りの入射角
（外５）
2015535348.tif 000007
、ｉ＝１〜Ｎに関連するＮ個の低分解能二次元輝度画像を捕捉することができる。
【００３１】
可変照明装置とは、Ｎ通りの異なる入射角
（外６）
2015535348.tif 000008
、ｉ＝１〜Ｎからの入射放射を連続して与える装置を称することができる。Ｎの適切な値は、２〜１０００の範囲とすることができる。一部の実施形態では、可変照明装置が、特定サンプル時刻に照射を与える１つ以上の照射源の発光素子を含む。大部分の場合、各発光素子は、平面波の照射を、単一の入射角から標本２０に与えるものとして近似される。例えば、図２Ａの基準点Ｐにおける入射角
（外７）
2015535348.tif 000009
は、法線と、点Ｐと照射発光素子１１２とを結ぶ直線との間の角度とすることができ、この角度は、可変照明装置と試料面１２４との間の距離ｄに基づく。
【００３２】
上記の照射源または放射源は、通常はコヒーレント（可干渉性の）放射源であるが、インコヒーレント（非干渉性の）放射源も使用することができ、そしてコンピュータ計算による補正を適用することもできる。可視光放射を使用する実施形態では、各放射源が可視光源である。可視光源のいくつかの例は、ＬＣＤ（liquid crystal display：液晶ディスプレイ）画素及びＬＥＤ（light emitting diode：発光ダイオード）ディスプレイの画素を含む。他の形態の放射を使用する実施形態では、他の放射源を使用することができる。例えば、Ｘ線放射を使用する実施形態では、放射源がＸ線管及び金属ターゲットを具えることができる。他の例として、マイクロ波放射を使用する実施形態では、放射源が真空管を具えることができる。他の例として、音響放射を使用する例では、放射源を音響アクチュエータとすることができる。他の例として、テラヘルツ放射を使用する例では、放射源をガンダイオードとすることができる。当業者は、他の放射源を考えることができる。
【００３３】
多数の実施形態では、可変照明装置によって種々の異なる入射角
（外８）
2015535348.tif 000010
、ｉ＝１〜Ｎで与えられる放射の特性（例えば、波長、周波数、位相、振幅、極性、等）が、およそ均一である。他の実施形態では、例えば、測定プロセス中にｎ個の異なる波長λ1,...,λnを与えることによって、これらの特性を、種々の異なる入射角において変化させることができる。１つの実施形態では、可変照明装置１１０が、それぞれ赤色、緑色、及び青色に相当する３つの波長λ1、λ2、及びλ3のＲＧＢ照射を与えることができる。テラヘルツ放射を使用する実施形態では、可変照明装置１１０によって与えられる放射の周波数を、０．３〜３THzの範囲の周波数にすることができる。マイクロ波放射を使用する実施形態では、可変照明装置によって与えられる放射の周波数を、１００MHz〜３００GHzの範囲内にすることができる。Ｘ線放射を使用する実施形態では、可変照明装置によって与えられる放射の波長を、０．０１nm〜１０nmの範囲内にすることができる。音響放射を使用する実施形態では、可変照明装置によって与えられる放射の周波数を、１０Hz〜１００MHzの範囲内にすることができる。
【００３４】
一部の実施形態では、可変照明装置（例えば、図２Ａの可変照明装置１１０(a)）が、Ｎ個の静止した発光素子を種々の異なる空間的位置に具えている。これらＮ個の静止した発光素子は、連続するＮ個のサンプル時刻に発光して、Ｎ通りの入射角
（外９）
2015535348.tif 000011
、ｉ＝１〜Ｎからの照射を与える。他の実施形態では、可変照明装置が、移動発光素子を具えている（例えば、図３の可変照明装置１１０(b)）。この移動発光素子は、静止状態に保つことができる光学素子及び放射検出器に対して移動する。これらの実施形態では、走査機構のようなメカニズムを用いて、これらの移動発光素子を、Ｎ個の異なる空間的位置に移動させることができる。静止した構成要素と発光素子との間の、Ｎ個の異なる空間的位置への相対移動に基づいて、これらの発光素子は、Ｎ通りの入射角
（外１０）
2015535348.tif 000012
、ｉ＝１〜Ｎからの照射を与えることができる。他の実施形態では、可変照明装置が、静止した発光素子を具え（例えば、図４Ａの可変照明装置１１０(c)）、ＦＰＩ装置の他の構成要素を、Ｎ個の異なる空間的位置に移動させる。静止した発光素子とＦＰＩ装置の他の構成要素との間の、Ｎ個の異なる空間的位置へのこうした相対移動に基づいて、これらの発光素子は、Ｎ通りの入射角
（外１１）
2015535348.tif 000013
、ｉ＝１〜Ｎからの照射を与えることができる。
【００３５】
Ｎ個の静止した発光素子を具えた可変照明装置を有する実施形態では、これらの発光素子を、一次元アレイ、二次元マトリクス、六角形アレイ、または複数の入射角から照射を与えることができる他の適切な配列の形に配置することができる。静止した発光素子のマトリクスのいくつかの例は、ＬＣＤまたはＬＥＤマトリクスである。これらの発光素子は、適切な間隔をおいて設計され、そして、必要に応じて発光して、上記複数の入射角を与えることができる。一部の実施形態では、可変照明装置を、例えば１０×１０、３２×３２、１００×１００、５０×１０、２０×６０、等のような大きさを有する二次元マトリクスの形式にすることができる。図示する例として、図２Ａは、本発明の実施形態による、１００個の発光素子１１２の二次元（１０×１０）マトリクス形式の可変照明装置１１０(a)を具えたＦＰＩ装置の概略図である。
【００３６】
移動発光素子を具えた可変照明装置を有する実施形態では、これらの移動発光素子を、Ｎ個の位置に移動させることができる。これらＮ個の空間的位置は、一次元アレイ、二次元マトリクス、六角形アレイ、または複数の入射角から照射を与えることができる他の適切な配列の形に配置することができる。マトリクスの大きさのいくつかの例は、１０×１０、３２×３２、１００×１００、５０×１０、２０×６０、等とすることができる。
【００３７】
上記可変照明装置は、複数の入射角
（外１２）
2015535348.tif 000014
、ｉ＝１〜Ｎで標本２０に入射する放射を与える。一実施形態では、上記複数の入射角における、隣接する２つの入射角の差が、対物レンズの形態の光学素子の開口数によって定まる受光角の１０％〜９０％の範囲内の値を有する。一実施形態では、上記複数の入射角における、隣接する２つの入射角の差が、対物レンズの形態の光学素子の開口数によって定まる受光角の３３％〜６６％の範囲内の値を有する。一実施形態では、上記複数の入射角における、隣接する２つの入射角の差が、対物レンズの形態の光学素子の開口数によって定まる受光角の７６％未満である値を有する。一実施形態では、上記複数の入射角における、隣接する２つの入射角の差が、対物レンズの形態の光学素子の開口数によって定まる受光角の約１／３である。一実施形態では、最大入射角と最小入射角との差によって定まる入射角の範囲を、最終的な全視野の高分解能画像の空間分解能に整合する有効開口数に等しくすることができる。
【００３８】
可変照明装置の発光素子は、照射命令によって定められる順序で発光する。一実施形態では、照射命令が、発光素子の二次元マトリクス形式をなす発光素子を発光させる順序を決定する。この実施形態では、照射命令が、まず、中心発光素子を定めることができる。次に、照射命令は、中心発光素子（例えば、ＬＥＤ）を最初に発光させるように命令し、次に、中心発光素子を囲む８つの発光素子を反時計回りに発光させるように命令し、次に、前の発光素子を囲む１６個の発光素子を反時計回りに発光させるように命令し、等を、Ｎ個の発光素子を、Ｎ通りの入射角
（外１３）
2015535348.tif 000015
、ｉ＝１〜Ｎから発光させるまで行うことができる。他の実施形態では、照射命令が発光素子の二次元マトリクス形式をなす発光素子を発光させる他の順序を決定する。この実施形態では、可変照明命令が、このマトリクス内で標本に最も近い発光素子を定めることができる。次に、発光命令は、標本に最も近い発光素子を発光させるように命令し、次に、標本に二番目に近い発光素子を発光させるように命令し、次に、標本にその次に近い発光素子を発光させるように命令し、等を、Ｎ個の発光素子を、Ｎ通りの入射角
（外１４）
2015535348.tif 000016
、ｉ＝１〜Ｎから発光させるまで行うことができる。
【００３９】
特定の実施形態では、ＦＰＩ装置が、撮像のためにＦＰＩ装置に設けられた標本２０の少なくとも一部分を撮像することができる。特定の場合に、標本２０は、１つ以上の物体を具えることができる。各物体は、生物学的または無機的な実体とすることができる。生物学的実体の例は、全細胞、細胞成分、バクテリアまたはウィルスのような微生物、蛋白のような細胞成分、薄い組織切片、等を含む。一部の場合には、標本２０を、液体のような媒体中でＦＰＩ装置に設けることができる。大部分の場合、標本２０は静止した標本である。標本２０は、ＦＰＩ装置の、可変照明装置からの照射を受けることができる位置に設けられ、これにより、標本２０から出る光が光学素子によって受光される。
【００４０】
特定の実施形態では、ＦＰＩシステム１０が標本２０用の容器を具え、この容器は、標本２０を受けるための標本面１２６を有する。標本面１２６は、例えば可変照明装置１１０の表面のように、ＦＰＩ装置１００の構成要素の一部分とすることができる。その代わりに、標本面１２６は、ＦＰＩ装置１００及び／またはＦＰＩシステム１０とは別個の構成要素とすることができる。例えば、標本面１２６は、スライド（送り台）または皿の表面とすることができる。この容器及び標本面１２６は、他の実施形態に含めないことができる。
【００４１】
特定の実施形態では、ＦＰＩ装置によって捕捉した全視野の低分解能画像のうち１つ以上を、１つ以上の低分解能タイル画像に分割することができる。これらの場合、上記プロセッサは、高分解能画像を、タイル毎に独立してコンピュータ計算で再構成し、次に、これらのタイル画像を組み合わせて、全視野の高分解能画像を生成することができる。タイル画像を独立して処理するこうした能力は、並列計算を可能にする。これらの実施形態では、各タイルを二次元領域によって表現することができる。ＦＰＩシステム１０は、各タイルの全体にわたる平面波照射を仮定するＦＰＩ方法を用いる。直線空間座標では、各タイルを矩形領域（例えば、正方形領域）として表現することができる。極空間座標では、各タイルを、円形領域または長円形領域とすることができる。直線空間座標では、全視野の低分解能画像を、タイルの二次元マトリクスの形に分割することができる。一部の実施形態では、タイルの二次元正方形マトリクスの大きさを、放射センサの画素数で表わすと、２５６×２５６マトリクス、６４×６４マトリクス、等のような２のべき乗にすることができる。大部分の場合、このマトリクス内のタイルは、およそ同じ大きさを有する。
【００４２】
上記ＦＰＩ装置は、ローパス（低域通過）フィルタとして機能する光学素子も具えている。例えば、この光学素子は対物レンズとすることができ、この対物レンズは、その開口数（ＮＡ）に基づく入射角の範囲内の光のみを受光する。多数の実施形態では、この光学素子が低ＮＡ対物レンズの形態であり、狭い受光角及び高い被写界深度を提供する。一部の実施形態では、この光学素子が低ＮＡの対物レンズであり、約０．０８の低いＮＡを有する。他の実施形態では、この光学素子が低ＮＡの対物レンズであり、約０．０１〜約０．１の範囲内の低いＮＡを有する。図示する特定例の具体例では、この光学素子が２倍対物レンズであり、約０．０８のＮＡを有する。
【００４３】
Ｘ線放射を使用する実施形態では、例えば斜入ミラーまたはゾーンプレーンのようなＸ線光学素子が必要になり得る。音響放射を使用する実施形態では、例えば音響レンズのような特別な光学素子が必要になり得る。テラヘルツ放射を使用する実施形態では、例えばテフロン（登録商標）レンズのような特別な光学素子が必要になり得る。マイクロ波放射を使用する実施形態では、例えばマイクロ波レンズアンテナのような特別な光学素子が必要になり得る。
【００４４】
特定の実施形態では、上記ＦＰＩ装置が、その光学素子固有の被写界深度に関連する初期焦点深度を有する。実施形態のＦＰＩ装置に設けられる標本は、上記試料面が上記光学素子の初期焦点深度内にある際に、焦点が合っているものと考えることができる。逆に、試料面１２４が初期焦点深度の外側に位置する際には、標本は、焦点が合っていないものと考えることができる。ＦＰＩ方法を、実施形態のデジタル・リフォーカシング（後処理による焦点合わせ）と共に用いて、ＦＰＩ装置の焦点深度を、その光学素子固有の焦点深度を超えて拡張することができる。
【００４５】
放射検出器とは、この放射検出器に入射する放射の輝度を検出することができ、かつ、入射する放射の輝度パターンに基づいて、空間画像を記録することができる装置を称することができる。放射検出器は、測定プロセス中に、少なくともＮ個のサンプル時刻ｔi=1〜Nを含む持続時間で、画像を記録することができる。可視光放射を使用するＦＰＩ装置用には、放射検出器１４０は、例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ：charge coupled device）、ＣＭＯＳ撮像センサ、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ：avalanche photo-diode）アレイ、フォトダイオード（ＰＤ：photo-diode）アレイ、または光電子倍増管（ＰＭＴ：photomultiplier tube）アレイとすることができる。THz（テラヘルツ）放射を使用するＦＰＩ装置用には、放射検出器は、例えば撮像ボロメータとすることができる。マイクロ波放射を使用するＦＰＩ装置用には、放射検出器は、例えばアンテナとすることができる。Ｘ線放射を使用するＦＰＩ装置用には、放射検出器は、例えばＸ線感光性ＣＣＤとすることができる。音響放射を使用するＦＰＩ装置用には、放射検出器は、例えば圧電トランスデューサアレイとすることができる。これらの放射検出器及び他のものは、市販されている。特定のカラー撮像の実施形態では、放射検出器は、カラー検出器、例えばＲＧＢ検出器とすることができる。他のカラー撮像の実施形態では、放射検出器がカラー検出器である必要はない。特定の実施形態では、放射検出器をモノクロ（単色）検出器とすることができる。
【００４６】
サンプル時刻とは、放射検出器が低分解能画像を捕捉することができる時刻を称することができる。多数の実施形態では、各サンプル時刻ｔi、及びこれに関連して捕捉した低分解能輝度画像は、特定の入射角
（外１５）
2015535348.tif 000017
に対応する。放射検出器は、あらゆる適切な数Ｎ（例えば、１０、２０、３０、５０、１００、１０００、１００００、等）の低分解能輝度画像を捕捉することができる。放射検出器は、ある１つのサンプリングレートを有することができ、あるいは、この放射検出器がデータをサンプリングすることができる種々の異なるサンプリングレートを有することができる。一部の場合には、サンプリングを一定レート（速度）にすることができる。他の場合には、サンプリングを可変レートにすることができる。サンプリングレートのいくつかの適切な例は、０．１〜１０００フレーム／秒である。
【００４７】
放射検出器は離散した放射検出素子（例えば、画素）を有することができる。これらの放射検出素子は、あらゆる適切なサイズ（例えば、１〜１０ミクロン）にすることができ、かつ、あらゆる適切な形状（例えば、円形、長方形、正方形、等）にすることができる。例えば、ＣＭＯＳまたはＣＣＤ素子は１〜１０ミクロンにすることができ、ＡＰＤまたはＰＭＴ光検出素子は、１〜４mmくらい大きくすることができる。一実施形態では、放射検出素子が、５．５μmのサイズを有する正方形画素である。
【００４８】
放射検出器は、捕捉した低分解能画像に関係する輝度画像データを測定することができる。例えば、これらの画像データは、ある輝度分布を含むことができる。画像データは、光を捕捉したサンプル時刻、あるいは輝度画像に関係する他の情報を含むこともできる。
【００４９】
フーリエ空間とは、波動ベクトルｋx及びｋyが張る数学的空間であって、ＦＰＩによって生成された空間画像の二次元フーリエ変換が存在する座標空間を称することができる。フーリエ空間とは、波動ベクトルｋx及びｋyが張る数学的空間であって、放射検出器によって収集された空間画像の二次元フーリエ変換が存在する空間を称することもできる。
【００５０】
放射検出器によって捕捉された低分解能画像の各々が、フーリエ空間内の領域に関連する。フーリエ空間内のこうした領域は、光学素子の近似された光伝達関数によって定義することができ、入射角によって定義することもできる。光学素子が、例えば対物レンズである場合、フーリエ空間内の低分解能画像は、この対物レンズの近似された光伝達関数によって、ＮＡ×ｋ0の半径を有する円形瞳孔として定義される円形領域とすることができ、ここにｋ0は２π／λ（真空中の波数）である。この例では、この領域は、対応する入射角に関連する波動ベクトル（ｋxi, ｋyi）を中心とする。この例では、Ｎ個の低分解能画像が、フーリエ空間内のＮ通りの入射角を中心とするＮ個の領域に関連する。
【００５１】
フーリエ空間内では、隣接する領域が重複領域を共有し、この重複領域全体にわたって、これらの領域は同じフーリエ領域データをサンプリングする。フーリエ空間内で隣接する領域間の重複領域は、これらの領域に対応する入射角の値に基づいて決定される。大部分の実施形態では、上記Ｎ通りの入射角は、フーリエ空間内で隣接する領域が、特定量の重複面積だけ重複するように設計される。例えば、Ｎ通りの入射角の値は、復元プロセスにおいて高分解能の解により速く収束するための、特定量の重複面積を生成するように設計することができる。一実施形態では、隣接する領域間の重複領域が、一方の領域の面積の２％〜９９．５％の範囲内である面積を有することができる。他の実施形態では、隣接する領域間の重複領域が、一方の領域の面積の６５％〜７５％の範囲内である面積を有することができる。他の実施形態では、隣接する領域間の重複領域が、一方の領域の面積の約６５％である面積を有することができる。
【００５２】
図１ＡのＦＰＩシステム１０は、コンピュータ装置２００も含み、コンピュータ装置２００は、プロセッサ２１０（例えば、マイクロプロセッサ）、ＣＲＭ２２０（例えば、メモリ）、及びディスプレイ２３０を具えている。画像ディスプレイ２３０及びＣＲＭ２２０は、プロセッサ２１０に通信結合されている。他の実施形態では、コンピュータ装置２００を、ＦＰＩシステム１０とは別個の装置にすることができる。コンピュータ装置２００は、例えばスマートホン、ラップトップ、デスクトップ、タブレット、等のような種々の形態にすることができる。当業者は、種々の形態のコンピュータ装置を考えることができる。
【００５３】
プロセッサ２１０（例えば、マイクロプロセッサ）は、ＣＲＭ２２０上に記憶された命令を実行して、ＦＰＩシステム１０の１つ以上の機能を実行することができる。例えば、プロセッサ２１０は、命令を実行して、ＦＰＩ方法の復元プロセスの１つ以上のステップを実行することができる。他の例として、プロセッサ２１０は、照射命令を実行して、可変照明装置の発光素子を発光させることができる。他の例として、プロセッサ２１０は、ＣＲＭ２２０上に記憶された命令を実行して、例えば１）複数の低分解能画像からの画像データを解釈する、２）これらの画像データから高分解能画像を生成する、及び３）ＦＰＩ方法からの１つ以上の画像及び他の出力を、ディスプレイ２３０上に表示する、のような、ＦＰＩシステム１０の他の１つ以上の機能を実行することができる。
【００５４】
ＣＲＭ（例えば、メモリ）２２０は、ＦＰＩシステム１０の機能のいくつかを実行するための命令を記憶することができる。これらの命令は、ＦＰＩシステム１０のプロセッサ２１０または他の処理構成要素によって実行可能である。ＣＲＭ２２０は、低分解能画像及び高分解能画像、及びＦＰＩシステム１０によって生成される他のデータを記憶することもできる。
【００５５】
ＦＰＩシステム１０は、プロセッサ２１０と電子通信して、データ（例えば、画像データ）を受信し、出力データ（例えば、画像）をＦＰＩシステム１０のオペレータに提供するディスプレイ２３０も含む。画像ディスプレイ２３０は、カラーディスプレイまたは白黒ディスプレイとすることができる。これに加えて、ディスプレイ２３０は、二次元ディスプレイまたは三次元ディスプレイとすることができる。一実施形態では、ディスプレイ２３０が複数の画面を表示することができる。
【００５６】
本発明の範囲を逸脱することなしに、ＦＰＩシステム１０またはＦＰＩ装置１００に対して、変更。追加、または省略を行うことができる。これに加えて、ＦＰＩシステム１０またはＦＰＩ装置１００の構成要素は、特定の必要性に応じて、統合または分離することができる。例えば、コンピュータ装置２００またはその構成要素を、ＦＰＩ装置１００内に統合することができる。一部の実施形態では、プロセッサ２１０または他の適切なプロセッサを、ＦＰＩ装置１００の一部分とすることができる。一部の場合には、プロセッサ２１０を放射検出器１４０内に統合し、これにより、放射検出器１４０がプロセッサ２１０の機能を実行することができる。他の例として、特定の場合に、ＣＲＭ２２０及び／またはディスプレイ２３０を、ＦＰＩシステム１０から省略することができる。
【００５７】
ＩＩ．ＦＰＩ装置の構成
特定の実施形態では、ＦＰＩ装置（例えば、図２ＡのＦＰＩ装置１００(a)及び図３のＦＰＩ装置１００(b)）を、特定種類の放射用に構成することができる。例えば、図２ＡのＦＰＩ装置１００(a)は、可視光放射、テラヘルツ放射、及び／またはマイクロ波放射での使用に特に適している。他の例として、図４ＡのＦＰＩ装置１００(c)は、Ｘ線放射での使用に特に適している。
【００５８】
図２Ａは、本発明の実施形態によるＦＰＩ装置の構成要素の概略側面図である。ＦＰＩ装置１００(a)は、二次元マトリクス形式に配置されたＮ個の静止した発光素子を具えた可変照明装置１１０(a)を具えている。図示する例では、ｉ番目の発光素子１１２が、入射角
（外１６）
2015535348.tif 000018
から照射を与える。図２Ａは、発光素子１１２の１０×１０マトリクスを有する可変照明装置１１０(a)を示しているが、他の実施形態では他の寸法を用いることができる。これに加えて、図２Ａは等間隔の発光素子１１２を示しているが、他の実施形態では他の間隔を用いることができる。可変照明装置１１０(a)は、ｘ’軸、ｙ’軸（図示せず）、及びｚ’軸も具えている。図に示すように、静止した発光素子１１２は、ｘ'方向及びｙ’方向に延びる。
【００５９】
ＦＰＩ装置１００(a)は、光学素子１３０(a)（例えば、対物レンズ）、及び検出面１４２を有する放射検出器１４０(a)をさらに具えている。放射検出器１４０は、光学素子１３０(a)から距離をおいて示しているが、放射検出器１４０は、随意的に、光学素子１３０(a)の所に配置することができる。また、ＦＰＩ装置１００(a)は、ｚ＝０の所に合焦面１２２を含み、そしてｚ＝ｚ0の所に試料面１２４を含む。ＦＰＩ装置１００(a)は、合焦面１２２内のｘ軸及びｙ軸（図示せず）、及び合焦面１２２に直交するｚ軸を含む。ＦＰＩ装置１００(a)は、可変照明装置１１０(a)と試料面１２４との間の距離ｄも含む。図示する例では、標本２０が、撮像のために標本面１２６に配置されている。他の実施形態では、標本２０を、撮像目的で他の位置にすることができる。
【００６０】
図２Ａでは、測定プロセス中の特定のサンプル時刻ｔiにおけるＦＰＩ装置１００(a)を示す。サンプル時刻ｔiには、ｉ番目の発光素子１１２が、
（外１７）
2015535348.tif 000019
の入射角に関連する波動ベクトル
（外１８）
2015535348.tif 000020
で入射照射を与える。光学素子１３０(a)は、標本２０から出る光を受光してフィルタ処理する。光学素子１３０(a)によってフィルタ処理された光は、放射検出器１４０(a)の検出面１４２で受光される。放射検出器１４０(a)は、フィルタ処理された光の輝度分布を検出して、低分解能輝度画像を捕捉する。単一のサンプル時刻ｔiにおけるＦＰＩ装置１００(a)を示しているが、ＦＰＩ装置１００(a)は、Ｎ通りの入射角
（外１９）
2015535348.tif 000021
、ｉ＝１〜Ｎに関連するＮ個のサンプル時刻ｔi=1〜Nに動作して、Ｎ個の低分解能二次元輝度画像を捕捉することができる。
【００６１】
特定の実施形態では、ＦＰＩシステム１０の構成要素をモジュール形式にして、従来型顕微鏡または他の従来の撮像装置と通信するように配置して、従来の装置をＦＰＩシステム１０に変換することができる。図２Ｂは、本発明の実施形態による、モジュール形式の構成要素を有するＦＰＩシステム１０の写真である。ＦＰＩシステム１０はＦＰＩ装置１００(a)を具えている。上面の写真では、ＦＰＩ装置１００(a)が、オリンパス社のＢＸ４１型顕微鏡の構成要素と通信するように配置されたモジュール構成要素を具えて、従来型顕微鏡のこれらの構成要素をＦＰＩシステム１０に変換する。こうしたモジュール形式の態様の例として、ＦＰＩ装置１００(a)は、照明用に標本ステージの下に配置されたプログラマブルな二次元ＬＥＤマトリクスを含む。このプログラマブルな二次元ＬＥＤマトリクスは、複数の発光素子１１２を具えている。図２Ｃは、図２ＢのＦＰＩ装置１００(a)の可変照明装置１１０(a)の発光素子１１２のうち１つの写真である。この発光素子１１２はＬＥＤであり、赤色、緑色、及び青色の照射を与えることができる。図示する例のモジュール形式の態様の他の例として、図２ＢのＦＰＩ装置１１０(a)は、ＣＣＤカメラの形態の放射検出器を具えている。図２Ｂでは、ＦＰＩ装置１００(a)は、オリンパス社のＢＸ４１顕微鏡と共に、０．０８ＮＡの２倍対物レンズの形態の光学素子１３０(a)をさらに具えている。この２倍対物レンズの視野数は２６．５である。試料面におけるＦＰＩ装置１００(a)の視野は、直径１３．２５mmである。プロセッサ２１０は、配線２０１を通して、可変照明装置１１０(a)及び／または放射検出器１４０(a)と電子通信することができる。
【００６２】
図２Ｂでは、標本２０が、スライド２０２上でＦＰＩ装置１００(a)に設けられている。測定プロセス中に、可変照明装置１１０(a)の発光素子１１２、この場合ＬＥＤからの赤色、緑色、及び青色の照射を用いて、ＦＰＩ装置１００の放射検出器は、赤色、緑色、及び青色の低分解能輝度画像を取得することができる。コンピュータ装置２００は、低分解能の測定値をフーリエ空間内で反復的に組み合わせることによって、標本領域の高分解能・広視野のカラー画像をコンピュータ計算で再構成する。１つの場合には、プロセッサ２１０は、高分解能・広視野の赤色、緑色、及び青色画像をコンピュータ計算で再構成し、次にこれらの画像を組み合わせてカラー画像を生成することができる。
【００６３】
ＦＰＩ装置１１０(a)は、可変照明用の走査メカニズムを必要としない。他の実施形態は、走査メカニズムを含むことができる。例えば、図３のＦＰＩ装置１１０(b)は、走査メカニズムとすることができるメカニズム１５０を有する。他の例として、図４ＡのＦＰＩ装置１１０(c)は、走査メカニズムとすることができるメカニズム１６０を有する。
【００６４】
図３は、本発明の実施形態によるＦＰＩ装置１００(b)の構成要素の概略側面図である。ＦＰＩ装置１００(b)は、発光素子１１２を具えた可変照明装置１１０(b)を具え、発光素子１１２は、ｘ’方向（ｘ’軸の方向）及びｙ’方向（ｙ’軸の方向）に、Ｎ通りの位置に移動する（例えば、走査される）。可変照明装置１１０(b)は、ｘ’軸、ｙ’軸、及びｚ’軸も具えている。図では、発光素子１１２が、法線入射位置
（外２０）
2015535348.tif 000022
から、
（外２１）
2015535348.tif 000023
における照射を与える位置まで、ｘ’方向に移動している。発光素子１２２は、メカニズム１５０（例えば、ラスタースキャナ）を用いて移動する。
【００６５】
ＦＰＩ装置１００(b)は、光学素子１３０(b)、及び検出面１４２を有する放射検出器１４０(b)をさらに具えている。放射検出器１４０(b)は、光学素子１３０(b)から距離をおいた所に示しているが、放射検出器１４０(b)は、随意的に、光学素子１３０(b)の所に配置することができる。また、ＦＰＩ装置１００(b)は、合焦面１２２をｚ＝０の所に、試料面をｚ＝ｚ0の所に含む。ＦＰＩ装置１００(b)は、合焦面１２２内のｘ軸及びｙ軸（図示せず）、及び合焦面１２２に直交するｚ軸を含む。ＦＰＩ装置１００(b)は、可変照明装置１１０(b)と試料面１２４との間の距離ｄも含む。図示する例では、標本２０が、撮像のために、標本面１２６に配置されている。他の実施形態では、標本２０を、撮像目的で他の位置にすることができる。
【００６６】
図３には、発光素子１１２が、測定プロセス中のサンプル時刻ｔiにおいて照射を与える様子を示す。光学素子１３０(b)は、受光した光をフィルタ処理する。光学素子１３０(b)によってフィルタ処理された光は、放射検出器１４０(b)の検出面１４２で受光される。放射検出器１４０(b)は、フィルタ処理された光の輝度分布を検出して、標本領域の低分解能輝度画像を捕捉する。ＦＰＩ装置１００(b)は、Ｎ通りの入射角
（外２２）
2015535348.tif 000024
、ｉ＝１〜Ｎに関連するＮ個のサンプル時刻ｔi=1〜Nに動作して、Ｎ個の低分解能二次元輝度画像を捕捉することができる。図３に示すＦＰＩ装置１００(b)をＸ線放射で使用する実施形態では、発光素子１１２がＸ線源を含む。
【００６７】
図４Ａは、本発明の実施形態によるＦＰＩ装置１００(c)の構成要素の概略側面図である。ＦＰＩ装置１００(c)は、静止した発光素子１１２を有する可変照明装置１１０(c)、光学素子１３０(c)、検出面１４２を有する放射検出器１４０(c)、及びメカニズム１６０（例えば、走査メカニズム）を具えている。図示する例では、標本２０が、撮像のために、ＦＰＩ装置１００(c)に設けられている。
【００６８】
図４Ａでは、メカニズム１６０が、光学素子１３０(c)、放射検出器１４０(b)、及び標本２０から成るアセンブリ１７０を、静止した発光素子１１２に対して移動させて、Ｎ通りの入射角から照射を与える。メカニズム１６０は、アセンブリ１７０を平行移動及び／または回転させることができる。例えば、アセンブリ１７０を、ゴニオメーター（角度計、測角器）台上に装着することができ、このゴニオメーター台は、アセンブリ全体を発光素子１１２に対して回転させることを可能にする。可変照明装置１１０(c)は、ｘ’軸、ｙ’軸、及びｚ’軸も具えている。
【００６９】
放射検出器１４０(c)は、光学素子１３０(c)から距離をおいて示しているが、放射検出器１４０(c)は、随意的に、光学素子１３０(c)の所に配置することができる。ＦＰＩ装置１００(c)は、合焦面１２２をｚ＝０の所に含み、試料面をｚ＝ｚ0の所に含む。ＦＰＩ装置１００(c)は、合焦面１２２内のｘ軸及びｙ軸（図示せず）、及び合焦面１２２に直交するｚ軸を含む。ＦＰＩ装置１００(c)は、可変照明装置１１０(c)と試料面１２４との科の距離ｄも含む。
【００７０】
図４Ａには、発光素子１１２が、測定プロセス中のサンプル時刻ｔiにおいて照射を与える様子を示す。光学素子１３０(c)は、標本２０から出る光を受光してフィルタ処理する。光学素子１３０(c)によってフィルタ処理された光は、放射検出器１４０(c)の検出面１４２で受光される。放射検出器１４０(c)は、フィルタ処理された光の輝度分布を検出して、領域の低分解能輝度画像を捕捉する。単一のサンプル時刻ｔiにおけるＦＰＩ装置１００(c)を示しているが、ＦＰＩ装置１００(c)は、Ｎ通りの入射角
（外２３）
2015535348.tif 000025
、ｉ＝１〜Ｎに関連するＮ個のサンプル時刻ｔi=1〜Nに動作して、Ｎ個の低分解能二次元輝度画像を捕捉することができる。
【００７１】
図４Ｂは、本発明の実施形態によるＦＰＩ装置１００(d)の構成要素の概略側面図である。ＦＰＩ装置１００(d)は、回転させることによって移動する発光素子１１２を有する可変照明装置１１０(d)、光学素子１３０(b)、及び検出面１４２を有する放射検出器１４０(b)を具えている。図示していないが、発光素子１１２を回転させるメカニズムを含めることもできる。図示する例では、標本２０が、撮像のために、ＦＰＩ装置１００(d)に設けられている。一部の場合には、発光素子１１２をレーザーとすることができる。
【００７２】
図４Ｂでは、発呼素子１１２を回転させることによって移動させ、これにより、
（外２４）
2015535348.tif 000026
における照射を与える。図４Ｂには、発光素子１１２が、測定プロセス中のサンプル時刻ｔiにおいて照射を与える様子を示す。光学素子１３０(b)は、標本２０から出る光を受光してフィルタ処理する。光学素子１３０(b)によってフィルタ処理された光は、放射検出器１４０(b)の検出面１４２で受光される。放射検出器１４０(b)は、フィルタ処理された光の輝度分布を検出して、領域の低分解能輝度画像を捕捉する。単一のサンプル時刻ｔiにおけるＦＰＩ装置１００(d)を示しているが、ＦＰＩ装置１００(d)は、Ｎ通りの入射角
（外２５）
2015535348.tif 000027
、ｉ＝１〜Ｎに関連するＮ個のサンプル時刻ｔi=1〜Nに動作して、Ｎ個の低分解能二次元輝度画像を捕捉することができる。
【００７３】
ＩＩＩ．好適なＦＰＩ方法
実施形態では、ＦＰＩ方法が、測定プロセス、復元プロセス、及び随意的な表示プロセスを含む。測定プロセスでは、可変照明装置を用いて複数の入射角から標本を照射し、光学素子が、標本から出る光をフィルタ処理し、そして、放射検出器が、フィルタ処理された光に基づいて複数の低分解能輝度画像を捕捉する。復元プロセスでは、フーリエ空間内での高分解能再構成の逆フーリエ変換及びフィルタ処理によって得られた各低分解能画像を、低分解能の輝度測定値に置き換えて、高分解能再構成の対応する領域をフーリエ空間内で反復的に更新する。復元プロセスでは、標本の高分解能画像を、Ｎ個の低分解能輝度画像に基づいてコンピュータ計算で再構成する。随意的な表示プロセスでは、画像及び他の出力をディスプレイ２２０に供給する。
【００７４】
図５Ａは、本発明の実施形態によるＦＰＩ方法の、測定プロセス（中央）及び復元プロセス（右側）の概略表現を含む。測定プロセス中には、標本を種々の異なる入射角から照射して、これらの入射角に対応する低分解能輝度画像を取得する。複数の低分解能輝度画像の取得は、図５Ａの中央部分の画像の配列によって表される。復元プロセス中には、１つ以上の高分解能・広視野画像を、測定プロセスからの低分解能の輝度測定値に基づいて復元する。復元プロセスは、図５Ａの右側の２つの画像によって表され、ここでは、高分解能の輝度及び位相の画像データが、低分解能の輝度測定値に基づいて復元される。図５Ｂ(1)、５Ｂ(2)、５Ｂ(3)、５Ｂ(4)、５Ｂ(5)、５Ｂ(6)、５Ｂ(7)、５Ｂ(8)、及び５Ｂ(9)は、図５Ａにおいて紹介したＦＰＩ方法によって取得された１３７個の測定値のうち９つの低分解能測定値である。この低分解能画像に関連する、フーリエ空間内の対応する領域を図５Ｂ(12)に示す。復元プロセス中には、これらの領域をフーリエ空間内で更新して、全視野（フルＦＯＶ：full field-of-view）の高分解能複合画像を再構成する。復元した高分解能の輝度及び位相画像を、図５Ａの右側に示し、図５Ｂ(10)及び５Ｂ(11)にも示す。
【００７５】
特定の実施形態では、ＦＰＩ方法を、２つの作動領域、即ち空間（ｘ−ｙ）領域及びフーリエ（ｋx−ｋy）領域との間で交互させることができ、ここにｋは波数を表す。
【００７６】
特定の実施形態では、ＦＰＩ方法が、斜め入射の概念を用いることができ、この概念は、波動ベクトル
（外２６）
2015535348.tif 000028
を有する斜面波によって標本２０を照射することが、フーリエ領域内で画像スペクトルの中心を（ｋx, ｋy）だけシフトさせることと等価である、ということをもたらす。斜め入射によれば、フーリエ領域内の低分解能画像が、法線入射から（ｋx, ｋy）だけシフトされ、このシフトは、可変照明装置によって加えられる入射角に相当する。
【００７７】
特定実施形態では、ＦＰＩ方法が、フーリエ空間内での光学素子のフィルタリング関数（即ち、コヒーレントな光学的伝達関数）が、ＮＡ×ｋ0の半径を有する円形瞳孔である、ということをもたらし、ここにｋ0＝２π／λは真空中の波数である。即ち、ＦＰＩ方法は、こうした光学素子のフィルタリング関数によって規定される円形領域を、フーリエ空間内で更新することができる。これらの実施形態では、ＦＰＩ方法が、こうしたフィルタリング関数を用いて、この領域外の画像データを省略する。
【００７８】
特定の実施形態では、標本２０を、ｚ＝ｚ0にある試料面１２４に配置することができ、ここで光学素子の合焦面１２２はｚ＝０に位置する。換言すれば、捕捉した画像は、標本プロファイル自体における標本画像ではなく、光学素子の合焦面において距離−ｚ0だけ伝播した標本プロファイルである。これらの実施形態では、ＦＰＩ方法が、標本をｚ方向に機械的に移動させなければならないことなしに、標本２０をデジタル的にリフォーカスして、画像データを距離ｚ0だけ試料面１２４に戻るように伝播させる。これらの伝播ステップは、フーリエ空間内で位相係数を乗算することによって実行することができる。これらのステップは、ＦＰＩシステム１０の撮像焦点深度を拡張し、光学素子の色収差を補正することができる。
【００７９】
図６Ａは、本発明の実施形態によるＦＰＩシステムによって実行されるＦＰＩ方法のフローチャートである。このＦＰＩ方法は、測定プロセス（ステップ１１００、１２００、及び１３００）、復元プロセス（ステップ１４００及び１５００）、及び随意的な表示プロセス（ステップ１６００）を含む。図示するＦＰＩ方法の例、及びそれに関連する説明では、添え字「ｈ」は高分解能を表し、添え字「ｌ」は低分解能を表し、添え字「ｆ」は焦点位置を表し、添え字「ｍ」は測定値を表し、そして添え字「ｓ」はサンプリングを表す。
【００８０】
ステップ１１００では、可変照明装置が、Ｎ通りの入射角
（外２７）
2015535348.tif 000029
、ｉ＝１...Ｎから、Ｎ個のサンプル時刻に、標本に照射を与える。大部分の場合には、復元プロセスは平面波照明を仮定する。可変照明装置は、照射角の順序を定める照射命令に従って照射を与えることができる。ｘ及びｙ方向の波動ベクトルは、ｋxi及びｋyiとして表すことができる。特定の場合には、可変照明装置が、異なるサンプル時刻に異なる波長の照射を与えることができる。例えば、可変照明装置１１０は、カラー撮像の実施形態用に、それぞれ赤色、緑色、及び青色に相当する３つの波長λ1、λ2、及びλ3のＲＧＢ照射を与えることができる。
【００８１】
ステップ１２００では、光学素子（例えば、低ＮＡの顕微鏡対物レンズ）が、受光した光をフィルタ処理する。例えば、この光学素子は、標本２０から出る光をフィルタ処理することができる。この光学素子は、その開口数（ＮＡ）に応じた入射角の範囲内の光を受光することによって光をフィルタ処理する対物レンズとすることができる。一部の場合には、この光学素子は、従来型顕微鏡の低ＮＡの対物レンズ（例えば、０．０８ＮＡの２倍対物レンズ）とすることができる。
【００８２】
ステップ１３００では、放射検出器が、フィルタ処理された光の投射を光学素子から受光して、Ｎ個のサンプル時刻ｔi=1〜Nの各々におけるスナップショットの輝度分布測定値を捕捉して、Ｎ個の低分解能輝度画像を取得する。放射検出器によってサンプリングした低分解能輝度画像の各々が、フーリエ空間内のある１つの領域に関連する。多数の実施形態では、可変照明装置が、ステップ１１００において、特定入射角から照射を与えて、フーリエ空間内の隣接する領域間に重複領域を生成する。一実施形態では、これらの領域のうち１つの面積の２％〜９９．５％の重複領域を隣接する領域間に与えるように、可変照明装置が照射を与える。他の実施形態では、これらの領域のうち１つの面積の２％〜７５％の重複領域を隣接する領域間に与えるように、可変照明装置が照射を与える。一実施形態では、これらの領域のうち１つの面積の約５％の重複領域を隣接する領域間に与えるように、可変照明装置が照射を与える。
【００８３】
ステップ１４００及び１５００では、ステップ１３００で捕捉したＮ個の低分解能輝度分布測定値
（外２８）
2015535348.tif 000030
（照射波動ベクトル
（外２９）
2015535348.tif 000031
でインデックス付けされ、ここにｉ＝１、２...Ｎ）から標本領域の高分解能画像をコンピュータ計算で再構成することができる。
【００８４】
ステップ１４００では、高分解能画像
（外３０）
2015535348.tif 000032
を空間領域内で初期化し、初期値にフーリエ変換を適用して、初期化したフーリエ変換画像
（外３１）
2015535348.tif 000033
を得る。初期化した高分解能の解を、初期の推定値とすることができる。この初期推定値は、標本が焦点から外れた平面ｚ＝ｚ0に配置されているという仮定に基づいて定めることができる。一部の場合には、初期推定値を（輝度及び位相の両者についての）ランダム複素行列として定めることができる。他の場合には、初期推定値を、低分解能輝度測定値のランダム位相による補間として定めることができる。初期推定値の例は、標本領域の任意の低分解能画像から補間したψ＝０及びＩhである。初期推定値の他の例は、定数値である。初期推定値のフーリエ変換は、フーリエ空間内で広範囲のスペクトルとなり得る。
【００８５】
ステップ１５００では、ＦＰＩシステム１０のプロセッサ２１０を用いて、低分解能輝度測定値をフーリエ空間内で反復的に組み合わせることによって、標本領域の高分解能画像をコンピュータ計算で再構成する。
【００８６】
ステップ１６００では、ディスプレイ２３０が、
（外３２）
2015535348.tif 000034
の高分解能画像データのような画像データ及び／または他のデータを、プロセッサ２１０から受信して、これらのデータをディスプレイ２３０上に表示する。
【００８７】
図６Ｂは、本発明の実施形態による、図６Ａのステップ１５００のサブステップのフローチャートである。図示する例では、ステップ１５００が、ステップ１５１０、ステップ１５３０、ステップ１５５０、ステップ１５６０、ステップ１５７０、ステップ１５８０、及びステップ１５９０を含む。ステップ１５００は、随意的に、ステップ１５２０及び１５４０を含むことができる。随意的なステップ１５２０及び１５４０は、標本２０が焦点から量ｚ0だけ外れている場合に実行することができる。
【００８８】
ステップ１５１０では、プロセッサ２１０が、フーリエ領域内で、高分解能画像
（外３３）
2015535348.tif 000035
のローパスフィルタ処理を実行して、波動ベクトル
（外３４）
2015535348.tif 000036
を有する特定の平面波入射角
（外３５）
2015535348.tif 000037
に対する低分解能画像
（外３６）
2015535348.tif 000038
を生成する。この高分解能画像のフーリエ変換は
（外３７）
2015535348.tif 000039
であり、特定の平面波入射角に対する低分解能画像のフーリエ変換は
（外３８）
2015535348.tif 000040
である。フーリエ領域内では、このＦＰＩ方法は、高分解能画像
（外３９）
2015535348.tif 000041
のスペクトル
（外４０）
2015535348.tif 000042
から、ローパス領域をフィルタ処理で選別する。対物レンズの形態の光学素子による場合、この領域は、ＮＡ×ｋ0の半径を有する円形開口であり、ｋ0は２π／λ（真空中の波数）に等しく、対物レンズのコヒーレント伝達関数によって与えられる。フーリエ空間内では、この領域の位置が入射角に対応する。波動ベクトル
（外４１）
2015535348.tif 000043
を有する傾斜平面波の入射については、この領域は、
（外４２）
2015535348.tif 000044
のフーリエ領域内の位置
（外４３）
2015535348.tif 000045
を中心とする。
【００８９】
ステップ１５２０では、プロセッサ２１０を用いて、低分解能画像
（外４４）
2015535348.tif 000046
を、フーリエ領域内で、光学素子１３０の合焦面１２２（ｚ＝０）まで伝播させて、焦点位置における低分解能画像
（外４５）
2015535348.tif 000047
を決定する。一実施形態では、低分解能画像
（外４６）
2015535348.tif 000048
をフーリエ変換し、フーリエ領域内で位相係数を乗算し、逆フーリエ変換して、
（外４７）
2015535348.tif 000049
を得ることによって、ステップ１５２０を実行することができる。他の実施形態では、低分解能画像
（外４８）
2015535348.tif 000050
を、デフォーカス用の点広がり関数で畳み込むことと数学的に等価な演算によって、ステップ１５２０を実行することができる。他の実施形態では、逆フーリエ変換を実行して
（外４９）
2015535348.tif 000051
を生成する前に、
（外５０）
2015535348.tif 000052
に位相係数を乗算することによって、ステップ１５２０をステップ１５１０の随意的なサブステップとして実行することができる。標本２０が光学素子の合焦面（ｚ＝０）に配置されている場合、随意的なステップ１５２０を含める必要はない。
【００９０】
ステップ１５３０では、プロセッサ２１０を用いて、合焦面における低分解能画像
（外５１）
2015535348.tif 000053
の振幅成分の計算値
（外５２）
2015535348.tif 000054
を、ＦＰＩ装置の放射検出器によって測定した低分解能輝度測定値の平方根
（外５３）
2015535348.tif 000055
に置き換える。このことは、更新された低分解能ターゲット
（外５４）
2015535348.tif 000056
を形成する。
【００９１】
随意的なステップ１５４０では、プロセッサ２１０を用いて、更新された低分解能画像
（外５５）
2015535348.tif 000057
を、試料面（ｚ＝ｚ0）まで逆伝播させて、
（外５６）
2015535348.tif 000058
を決定することができる。標本が光学素子の合焦面、即ちｚ＝ｚ0に配置されている場合、随意的なステップ１５４０を含める必要はない。一実施形態では、更新された低分解能画像
（外５７）
2015535348.tif 000059
のフーリエ変換をとり、フーリエ空間内で位相係数を乗算し、そしてこれを逆フーリエ変換することによって、ステップ１５４０を実行することができる。他の実施形態では、更新された低分解能画像
（外５８）
2015535348.tif 000060
を、デフォーカスの点広がり関数で畳み込むことによって、ステップ１５４０を実行することができる。他の実施形態では、更新されたターゲット画像に対するフーリエ変換を実行した後に位相係数を乗算することによって、ステップ１５４０をステップ１５５０のサブステップとして実行することができる。
【００９２】
ステップ１５５０では、プロセッサ２１０を用いて、試料面
（外５９）
2015535348.tif 000061
に伝播された、更新されたターゲット画像にフーリエ変換を適用し、このデータを、入射波動ベクトル
（外６０）
2015535348.tif 000062
に対応するフーリエ空間内で、高分解能の解
（外６１）
2015535348.tif 000063
の対応する領域内で更新する。
【００９３】
ステップ１５６０では、プロセッサ２１０は、すべての入射角についてステップ１５１０〜１５６０が完了したか否かを判定する。すべての入射角についてステップ１５１０〜１５６０が完了していなければ、次の入射角について、ステップ１５１０〜１５６０を反復する。
【００９４】
大部分の実施形態では、フーリエ空間内の隣接する領域が、入射角毎に反復して更新され、互いに重複する。更新された重複領域が重複する領域では、ＦＰＩシステム１０が同じフーリエ空間全体にわたって多数のサンプリングを有する。上記入射角が、この重複する領域の面積を決定する。一実施形態では、隣接する領域間の重複領域が、隣接する領域の一方の面積の２％〜９９．５％である面積を有することができる。他の実施形態では、隣接する領域間の重複領域が、隣接する領域の一方の面積の６５％〜７５％である面積を有することができる。他の実施形態では、隣接する領域間の重複領域が、隣接する領域の一方の面積の約６５％である面積を有することができる。特定の実施形態では、各重複領域が同じ面積を有する。
【００９５】
ステップ１５７０では、プロセッサ２１０が、上記高分解能の解が収束したか否か（ステップ１５７０）を判定する。例えば、プロセッサ２１０は、上記高分解能の解が自己無撞着解に収束したか否かを判定する。１つの場合、プロセッサ２１０は、前回の反復または初期推定における前の高分解能の解を現在の高分解能の解と比較し、その差が特定値未満であれば、この解が自己無撞着解に収束したものとする。プロセッサ２１０が、この解が収束していないものと判定した場合、ステップ１５１０〜１５７０を反復する。一実施形態では、ステップ１５１０〜１５６０を１回反復する。他の実施形態では、ステップ１５１０〜１５６０を２回以上反復する。この解が収束していれば、プロセッサ２１０は、フーリエ空間内の収束した解を空間領域に変換して、高分解能画像
（外６２）
2015535348.tif 000064
を復元する。ステップ１５７０において、この解が収束したことをプロセッサ２１０が判定した場合、プロセスは随意的ステップ１６００に進むことができる。
【００９６】
図６Ｅは、図６Ａ及び６Ｂを参照して説明したＦＰＩ方法のステップを例示する図ある。図６Ｅの左側の画像は、２つの領域２２(a)及び２２(b)を含み、これらの領域は、フーリエ空間内で、０．０８ＮＡの２倍対物レンズの光伝達関数によって規定される円形ローパスフィルタの形状を有する。領域２２(a)は、第１入射角：θx＝０；θy＝０、ｉ＝１なる垂直平面波の入射に関連する円形ローパスフィルタ形状に基づく。領域２２(b)は、Ｎ番目の平面波の入射角θx＝−２１°；θy＝２２°；ｉ＝Ｎに関連する円形ローパスフィルタ形状に基づく。各入射角においてローパスフィルタ処理を実行するために、低分解能画像を生じさせる、フーリエ領域内の上記円形領域外のデータは省略する。斜面波の入射角θx＝−２１°；θy＝２２°に基づくフィルタ処理から生じる低分解能画像を、図６Ｅの右上側に示す。この斜平面波の入射角θx＝−２１°；θy＝２２°におけるフィルタ処理から生じる低分解能画像を、図の右下側に示す。これらの入射角の波動ベクトルを、ｘ方向及びｙ方向に、それぞれｋxi及びｋyiで表す。この例示では、領域２２(a)及び２２(b)の寸法は、ＮＡ×ｋ0の半径を有する円形瞳孔関数として近似することに基づく０．０８ＮＡの２倍対物レンズの光伝達関数によって定められ、ここにｋ0は２π／λ（真空中の波数）である。
【００９７】
図６Ｅでは、ＦＰＩ方法が、図６Ｂのステップ１５５０に従い、垂直入射θx＝０、θy＝０に相当する高分解能再構成の領域２２(a)内のデータを更新する。この領域は、更新された輝度測定値
（外６３）
2015535348.tif 000065
を有する低分解能画像データで更新され、ここに、
（外６４）
2015535348.tif 000066
である。図６Ｅでは、ＦＰＩ方法は、図６Ｂのステップ１５５０に従い、Ｎ番目の入射角θx＝−２１°；θy＝２２°；ｉ＝Ｎに相当する高分解能再構成の領域２２(b)内のデータも更新している。この領域は、更新された輝度測定値
（外６５）
2015535348.tif 000067
を有する低分解能画像データで更新される。
【００９８】
図６Ｆは、図６Ａ及び６Ｂを参照して説明したＦＰＩ方法のステップを他に例示する図である。この場合、標本２０は合焦面にある。この概略図は、例示１６０５、１６０６、及び１６０７を含む。例示１６０５は、ステップ１４００及び補間した輝度から生じた初期のフーリエスペクトルの代表的な画像を含む。例示１６０６は、ステップ１５００の反復部分を表し、この場合ステップ１５１０、１５３０、１５５０を含む。例示１６０６は、Ｎ回の反復を含む。領域２２(d)、２２(e)、及び２２(f)の各々は、高分解能の解のフーリエ空間内の、円形ローパスフィルタの形状である。領域２２(a)及び２２(b)の寸法は、ＮＡ×ｋ0の半径を有する円形瞳孔関数として近似することに基づく０．０８ＮＡの２倍対物レンズの光伝達関数によって定められ、ここにｋ0は２π／λ（真空中の波数）である。１回目の反復（ｉ＝１）θx＝０；θy＝０では、ステップ１５５０で領域２２(d)が更新される。Ｎ−１回目の反復（ｉ＝Ｎ−１）、θx＝−２２；θy＝１９では、ステップ１５５０で領域２２(c)が更新される。Ｎ回目の反復（ｉ＝Ｎ）、θx＝−２２；θy２２では、ステップ１５５０で領域２２(f)が更新される。例示１６０６は、復元された位相画像及び復元された輝度画像を含む。
【００９９】
実施形態では、ＦＰＩ方法が、随意的なステップ１５２０及び１５４０を含めることによるデジタル・リフォーカシングを含む。ステップ１５２０及び１５４０のデジタル・リフォーカシングの特徴は、画像を、ｚ＝０にある合焦面１２２からｚ＝ｚ0にある試料面１２４まで伝播させる。デジタル・リフォーカシングは、光学素子（例えば、対物レンズ）の合焦面１２２が位置ｚ＝０にあるのに対し、標本２０が、ｚ＝ｚ0にある試料面１２４に配置されている際に、必要になり得る。換言すれば、デジタル・リフォーカシングは、標本２０が量ｚ0だけ焦点から外れている際に必要になり得る。図６Ｃ及び６Ｄは、本発明の実施形態による、ＬＥＤマトリクス形式の発光素子を有するＦＰＩ装置１００(a)の構成要素の概略図である。図６Ｃでは、標本２０が、量ｚ0だけ焦点から外れ、随意的なステップ１５２０及び１５４０を用いて、デジタル的にリフォーカスすることができる。図６Ｄでは、標本２０は、合焦面１２２にある合焦位置に配置されている。この場合、随意的なステップ１５２０及び１５４０は不要にすることができる。
【０１００】
一実施形態では、図２Ｂに示すＦＰＩ装置１００(a)を有するＦＰＩシステム１０を用いて、図６Ａ及び６ＢのＦＰＩ方法を実行し、ここで、標本２０は合焦面１２２に配置した。この例では、発光素子が、斜光照明用の光源としての、１３７個の赤色ＬＥＤであった。再構成された画像の対応する最大ＮＡは、対角方向に〜０．５であった。
【０１０１】
図７Ａ(1)、７Ａ(2)、７Ａ(3)、７Ａ(4)、及び７Ａ(5)は、図６Ａ及び６ＢのＦＰＩ方法を実行して生じた画像である。これらの結果は、分解能の改善を示す。図７Ａ(1)は、標本領域の全視野低分解能輝度画像である。図７Ａ(2)は、放射検出器によって捕捉した図７Ａ(1)の低分解能画像の選択部分のズームイン（部分拡大）画像であり、（５．５μmを倍率で除算した）２．７５μmの画素サイズを有する。図７Ａ(3)は、図７Ａ(2)の画像のズームイン画像である。図７Ａ(4)及び７Ａ(5)は、コンピュータ計算で再構成した高分解能画像であり、画素サイズは０．２７５μmである。
【０１０２】
一実施形態では、図２Ｂに示すＦＰＩ装置１００(a)を有するＦＰＩシステム１０を用いて、図６Ａ及び６ＢのＦＰＩ方法を実行し、ここでは、標本２０を合焦面１２２に配置し、複数の異なるＬＥＤ光源（即ち、Ｎ通りの異なる入射角）及びこれらに対応する、異なる最大ＮＡを有する高分解能の再構成が、フーリエ空間を再構成でカバーした。第１の場合には、５つの低分解能画像（フレーム）が、５通りの入射角（ｉ＝１〜５）で取得された。図７Ｂ(1)は、これら５つのフレーム再構成から生じた高分解能画像を示す。図７Ｂ(2)は、これら５つのフレーム再構成の、０．１３の最大合成ＮＡにわたるフーリエ空間内でのスペクトル全体を示す。第２の場合には、６４個の低分解能画像（フレーム）が、６４通りの入射角（ｉ＝１〜６４）で取得された。図７Ｂ(3)は、６４個の再構成から生じた高分解能画像を示す。図７Ｂ(4)は、これら６４個のフレーム再構成の、０．３の最大合成ＮＡにわたるフーリエ空間内でのスペクトルを示す。第３の場合には、１３７個の低分解能画像が、１３７通りの入射角（ｉ＝１〜１３７）で取得された。図７Ｂ(5)は、これら１３７個のフレーム再構成から生じた高分解能画像を示す。図７Ｂ(6)は、これら１３７個のフレーム再構成の、０．５の最大合成ＮＡにわたるフーリエ空間内でのスペクトルを示す。図７Ｂ(2)、７Ｂ(4)、及び７Ｂ(6)中の小さい円の各々は、１つの低分解能輝度測定値に対応するスペクトル領域を表す。これらの結果は、ＦＰＩ方法を用いて、光学系の分解能から視野を切り離すことができ、これにより、広視野と高分解能とを同時に達成することを示す。
【０１０３】
Ａ．タイル画像によるＦＰＩ方法
一部の実施形態では、タイル撮像によるＦＰＩ方法が、捕捉した低分解能画像を、複数の低分解能タイル画像に分割し、タイル毎に独立して高分解画像を取得し、そして、これらの高分解能タイル画像を組み合わせて、全視野の高分解能画像を生成する。一部の場合には、高分解能タイル画像を、画像ブレンディング（画像融合）プロセスにより組み合わせることができる。画像ブレンディング・プロセスの例は、アルファ・ブレンディングであり、国際公開第１９９９／０５３４６９号パンフレット（特許文献１）、発明の名称”A system and method for performing blending using an over sampled buffer”、１９９９年４月７日出願に見出すことができ、この文献は、その全文を参照する形で本明細書に含める。タイルの高分解能画像を独立して取得することができるので、ＦＰＩ方法は、並列計算を可能にすることができ、このことは、計算時間を低減することができ、そして、必要メモリも低減することができる。さらに、各発光素子からの光を、タイル毎に、平面波として正確に処理することができる。タイル毎の入射波動ベクトルは、次式のように表現することができ：
【数１】
2015535348.tif 000068
ここに、（ｘc, ｙc）は、全視野低分解能画像の各タイルの中心位置であり、（ｘi, ｙi）は、ｉ番目の発光素子の位置であり、ｈは、照明装置と標本との間の距離である。さらに、一部の場合には、ＦＰＩ方法は、特定の収差補正瞳孔関数を各タイルに適用することができる。
【０１０４】
一実施形態では、ＦＰＩシステム１０が、パーソナルコンピュータの形態のコンピュータ装置２００を具え、コンピュータ装置２００は、インテル（登録商標）ｉ７ＣＰＵの形態のプロセッサ２１０を有する。１つの実験では、ＦＰＩシステム１０が、ＦＰＩ方法を、低分解能画像を１９６×１９６画素のタイルに分割するタイル撮像により実行する。１つの場合には、小画像毎の（１９６×１９６個の原画素を１９６０×１９６０画素に変換する）処理時間は、Matlab（登録商標）を使用して約３．７５秒である。この場合、全視野のギガピクセル画像を生成するための処理時間は、上記ＣＰＵの４コアを使用して並列計算すると、約１０分である。他の実施形態では、ＦＰＩシステム１０が、ＧＰＵユニットの形態のプロセッサを有することができ、このプロセッサは、処理時間を１０分の１に低減することができる。他の実施形態では、プロセッサ２１０が、Ｃ＋＋のような他のプログラミング言語を用いて、ＦＰＩ方法のステップを実行することができ、これにより処理時間を低減することができる。こうしたＦＰＩシステムの例は、Zheng, G., Horstmeyer, R., and Yang, C., “Wide-field, high-resolution Fourier ptychographic microscopy”, Nature Photonics (2013年7月)（非特許文献２２）に見出すことができ、この文献は、その全文を参照する形で本明細書に含める。
【０１０５】
図８Ａは、本発明の実施形態による、タイル撮像によるＦＰＩ方法のフローチャートである。このＦＰＩ方法は、ＦＰＩシステム１０によって実行することができる。並列処理能力を活用するために、ＦＰＩシステム１０は、例えばＧＰＵユニット、あるいは複数コア（即ち、独立した複数の中央演算装置）のような並列処理能力を有するプロセッサ２１０を含む。このＦＰＩ方法は、測定プロセス（ステップ１１００、１２００、及び１３００）、復元プロセス（ステップ１３５０、２４００（１〜Ｍ）、２５００（１〜Ｍ）、２５９０）、及び随意的な表示プロセス（ステップ１６００）を含む。測定プロセス（ステップ１１００、１２００、及び１３００）、及び表示プロセス(ステップ)１６００は、図６Ａを参照して説明している。
【０１０６】
ステップ１３５０では、プロセッサ２１０は、全視野を、例えばタイルの二次元マトリクスのような複数のタイルに分割する。タイルの二次元正方形マトリクスは、例えば２５６×２５６マトリクス、６４×６４マトリクス、等のような２のべき乗にすることができる。一例では、プロセッサは、５２８０×４３８０画素の全視野を、１５０×１５０画素の面積を有する複数のタイルに分割することができる。
【０１０７】
次に、プロセッサ２１０は、高分解能画像
（外６６）
2015535348.tif 000069
を、空間領域内で、並列計算（ステップ２４００(1)...２４００(M)）を用いて、タイル（１〜Ｍ）毎に独立して初期化する。この初期推定値にフーリエ変換を適用する。一部の場合には、初期推定値を（輝度及び位相の両者について）ランダム複素行列として定めることができる。他の場合には、初期推定値を、低分解能輝度測定値のランダム位相による補間として定めることができる。初期推定値の例は、標本領域のあらゆる低分解能画像のψ＝０及びＩhrである。初期推定値の他の例は、定数値である。初期推定値のフーリエ変換は、フーリエ領域内の広域スペクトルとすることができる。
【０１０８】
ステップ２５００(1)...ステップ２５００(M)では、プロセッサ２１０が、各タイル（１〜Ｍ）の高分解能画像を、並列計算を用いて独立して、コンピュータ計算で再構成する。プロセッサ２１０は、図６Ｂに示すステップ１５１０、１５３０、１５５０、１５６０、及び１５７０を参照して説明したように、低分解能輝度画像をフーリエ空間内で反復的に組み合わせることによって、各タイルの高分解能画像をコンピュータ計算で再構成する。標本が焦点から外れている場合、ステップ１５２０及び１５４０を含めることができる。
【０１０９】
ステップ２５９０では、プロセッサ２１０が、高分解能タイル画像を組み合わせて、全視野の高分解能画像にする。一部の場合には、タイル画像を組み合わせることが、例えばアルファ・ブレンディングのような画像ブレンディング・プロセスを含む。
【０１１０】
図８Ｂは、本発明の実施形態による、画像ブレンディングを用いたタイル撮像によるＦＰＩ方法を実行した結果の画像である。この例では、ＦＰＩ方法が、５３２０×４３７０画素の各低分解能画像を、１５０×１５０画素のサイズのタイルに分割した。左側の画像は、隣接する２つの高分解能タイル画像である。右側の画像は、これら２つの高分解能タイル画像を、ブレンディングを用いて組み合わせた画像である。ブレンディングでは、ＦＰＩ方法がブレンディング領域を生成し、このブレンディング領域が、高分解能全視野画像内で隣接するタイル画像のエッジ領域を置き換える。この例示では、ブレンディング領域の幅が５０画素であった。他の実施形態では、ブレンディング領域が、例えば６画素のような他の幅を有する。ブレンディングにより、ブレンディング領域内には目に付く境界が存在しない。
【０１１１】
ステップ１６００では、標本領域の復元した高分解能二次元画像を、ディスプレイ２３０上に表示する。
【０１１２】
一実施形態では、タイル撮像によるＦＰＩ方法が、異なるタイル間の入射角の差を、これらのタイルと各発光素子との間の距離に基づいて明確にする手順を、さらに含むことができる。
【０１１３】
Ｂ．デジタル・リフォーカシング付きのＦＰＩ方法
従来の高ＮＡ顕微鏡の他の限界は、限られた被写界深度である。例として、０．４ＮＡの２０倍対物レンズを有する従来型顕微鏡の被写界深度は、約６μmである。従来型顕微鏡によれば、その被写界深度が限られていることにより、標本が合焦面１２２から離れるに連れて分解能が劣化する。従来型顕微鏡を用いて最適な分解能を達成するためには、オペレータがステージを移動させて、標本を機械的に合焦状態に戻す必要がある。この関係では、従来型顕微鏡では、標本をサブミクロン精度で合焦位置にもっていくために、精密な機械式ステージが必要になる。
【０１１４】
特定の実施形態では、ＦＰＩシステム１０は、標本を機械的ではなくデジタル的にリフォーカスすることができるＦＰＩ方法を実現する。これらの場合、ＦＰＩ方法は、復元プロセス中に、焦点から外れた標本２０をコンピュータ計算でリフォーカスする。デジタル・リフォーカシングを用いて、ＦＰＩシステム１０は、その被写界深度を、その光学素子の物理的限界を超えて拡張することができる。
【０１１５】
図１０Ａは、本発明の実施形態による、デジタル・リフォーカシング付きのＦＰＩ方法とデジタル・リフォーカシングなしのＦＰＩ方法とを比較した、数値シミュレーションによる画像である。これらの画像は、このＦＰＩ方法を用いて生じた高分解能再構成が、標本のデフォーカスに対して不変であることを示している。図１０Ａでは、各行が、−１５０μm、−５０μm、５０μm、及び１５０μmの、ｚ方向の異なるデフォーカス量を表す。列１は、捕捉した低分解能画像である。列２及び３は、デジタル・リフォーカシング付きで復元した高分解能の輝度及び位相プロファイルである。列４及び５は、デジタル・リフォーカシングなしで復元した高分解能の輝度及び位相プロファイルである。
【０１１６】
図１０Ｂ(1)は、実施形態による、デジタル・リフォーカシング付きのＦＰＩ方法を実行するＦＰＩ装置１００(a)の実験設定の概略図である。図１０Ｂ(2)〜(16)は、図１０Ｂ(1)の実験設定による、デジタル・リフォーカシング付きのＦＰＩ方法を実行した実験結果の画像である。この実験では、図１０Ｂ(1)の概略図に示すように、標本を、−３００μm〜＋３００μmの範囲のデフォーカス距離を有する種々の異なるｚ位置に移動させた。（ＬＥＤマトリクスの１３７個の異なるＬＥＤに対応する）低分解能画像を、これらのデフォーカス位置のすべてについて取得した。代表的な低分解能画像を、図１０Ｂ(2)、(3)、(4)、(5)、及び(6)に示す。図６Ｂのステップ１５２０及び１５４０を伴う復元プロセスに続いて、標本の高分解能プロファイルをコンピュータ計算で再構成した。これらの高分解能プロファイルを、図１０Ｂ(7)、(8)、(9)、(10)、及び(11)に示す。図１０Ｃ(1)〜(7)は、図１０Ｂ(1)〜１０Ｂ(16)に関して説明した実験のより詳細な結果を含む。図１０Ｃ(7)は、図１０Ｃ(4)、(5)、及び(6)中の最小の特徴についての、線トレースのグラフである。図１０Ｂ及び１０Ｃ中の再構成した画像によって示すように、デジタル・リフォーカシング付きのＦＰＩ方法は、０．３mmの分解能不変の撮像深度を達成することができる。
【０１１７】
図１０Ｄ(1)〜(3)は、本発明の実施形態による、デジタル・リフォーカシング付きのＦＰＩ方法とデジタル・リフォーカシングなしのＦＰＩ方法とを比較して実行した実験結果の画像である。図１０(2)及び１０(3)には、実施形態のＦＰＩ方法を用いた結果の画像再構成を、デジタル・リフォーカシング付き（例えば、ステップ１５２０及び１５４０）とデジタル・リフォーカシングなしとを比較して示す。図１０Ｄ(1)は、ｚ＝−１５０μmにおける原データの低分解能画像である。図１０Ｄ(2)は、デジタル・リフォーカシング付きで再構成した高分解能画像であり、図１０Ｄ(3)は、デジタル・リフォーカシングなしで再構成した高分解能画像である。
【０１１８】
ＦＰＩ方法によるデジタル・リフォーカシングは、従来型顕微鏡に対する他の大きな改善を示す。デジタル・リフォーカシングは：１）標本が視野全体に対して完全に位置合わせされていない場合を補正することができ、かつ２）（異なるデフォーカス距離を異なる色に割り当てて）色収差をデジタル的に補正することができる。
【０１１９】
図１０Ｅ(1)、１０Ｅ(2)、１０Ｅ(3)、１０Ｅ(4)、１０Ｅ(5)、１０Ｅ(6)、１０Ｅ(7)、及び１０Ｅ(8)は、本発明の実施形態による、ＦＰＩシステム１０を用いて、血液塗抹標本及び病状スライド中の色収差を補正するデジタル・リフォーカシング付きのＦＰＩ方法を実行した代表的な結果を提供する。ＦＰＩシステム１０は、図２ＢのＦＰＩ装置１００(a)を含む。図１０Ｅ(1)は、ＦＰＩシステム１０によって取得した血液塗抹標本の代表的な低分解能画像である。図１０Ｅ(2)は、ＦＰＩシステム１０によって取得した病状スライドの代表的な低分解能画像である。図１０Ｅ(3)は、デジタル・リフォーカシング付きで、コンピュータ計算で再構成した血液塗抹標本の高分解能画像である。図１０Ｅ(4)は、デジタル・リフォーカシング付きで、コンピュータ計算で再構成した病状スライドの高分解能画像である。図１０Ｅ(5)は、デジタル・リフォーカシングなしで、コンピュータ計算で再構成した血液塗抹標本の高分解能画像である。図１０Ｅ(6)は、デジタル・リフォーカシングなしで、コンピュータ計算で再構成した病状スライドの高分解能画像である。図１０Ｅ(7)及び１０Ｅ(8)は、それぞれ血液塗抹標本及び病状スライドの、２０倍対物レンズによる従来の顕微鏡画像であり、比較用である。
【０１２０】
Ｃ．デジタル・オートフォーカス付きのＦＰＩ方法
ＦＰＩシステム１０の動作中には、標本２０のｚ位置を先験的に知り得ないことがある。特定実施形態では、ＦＰＩ方法が、標本２０のｚ位置を測定し、このｚ位置を用いてデジタル的にリフォーカスするステップを含むことができる。例えば、図６ＢのＦＰＩ方法は、ステップ１５２０中またはその前に、標本２０のｚ位置を計算するステップをさらに含むことができる。ＦＰＩシステム１０は、プロセッサ２１０を用いることによって、デジタル・リフォーカシングを実行して、計算した標本のｚ位置を用いて、図６Ｂ中のステップ１５２０及び１５４０を実行することができる。標本２０のｚ位置を計算するために、ＦＰＩ方法は、オートフォーカス（自動焦点）指数パラメータを決定する。オートフォーカス指数は、次式によって定義される：
【数２】
2015535348.tif 000070
ここに、
（外６７）
2015535348.tif 000071
は、ローパスフィルタ処理からの振幅画像であり、
（外６８）
2015535348.tif 000072
は、実際の低分解能測定値であり、”abs”は絶対値を表す。
【０１２１】
式２中の総和は、すべての斜め入射角について計算する。ＦＰＩ方法が、標本２０の推定ｚ位置を計算した後に、ＦＰＩ方法は、この推定ｚ位置にデジタル的にリフォーカスすることができる。一部の場合には、正確なｚ位置を用いる際に、より良好に収束するための、高分解能画像の解が見出されている。
【０１２２】
図１０Ｆ(1)、１０Ｆ(2)、１０Ｆ(3)、１０Ｆ(4)、１０Ｆ(5)、１０Ｆ(6)、及び１０Ｅ(7)は、本発明の実施形態による、デジタル・リフォーカシング付きのＦＰＩ方法を実行するＦＰＩシステム１０を用いた実験結果を含む。このＦＰＩ方法は、標本のｚ位置を自動計算するために、オートフォーカス指数を計算する。第１の場合には、標本をｚ0＝−１５０μmに配置した。図１０Ｆ(1)、１０Ｆ(2)、及び１０Ｆ(3)は、ｚ0＝−１５０μmにある標本について再構成した画像である。第２の場合には、標本を、ＦＰＩ装置のｚ0＝−５０μmに配置した。図１０Ｆ(4)、１０Ｆ(5)、及び１０Ｆ(6)は、ｚ＝−５０μmにある標本について再構成した画像である。ＦＰＩ方法を用いて、ＦＰＩシステム１０は、式２に基づいて、種々の異なる位置についてオートフォーカス指数を計算した。図１０Ｆ(7)は、種々の異なるｚ位置について計算したオートフォーカス指数のグラフである。オートフォーカス指数の最大値が、標本のｚ位置の推定値を示す。図に示すように、計算したオートフォーカス指数の最大値に基づく推定位置は、標本の実際位置に近い。推定位置を用いて、ＦＰＩ方法はオートフォーカスして、画像を推定位置に伝播させることができる。
【０１２３】
Ｄ．デジタル波面補正付きのＦＰＩ方法
ＦＰＩ方法は、位相情報を入力として必要としないが、特定実施形態のＦＰＩ方法は、反復的な再構成中に位相を調整する。これらの実施形態では、数値的方策を用いて、焦点深度を対物レンズの焦点深度を超えて拡張して、瞳孔関数における収差を補償することができる。こうした収差補償方策の例は、非特許文献１４、及びColomb, T. et al., “Automatic procedure for aberration compensation in digital holographic microscopy and applications to specimen shape compensation”, Appl. Opt. 45, p.851-863 (2006)（非特許文献２３）に見出すことができ、これらの文献は、その全文を参照する形で本明細書に含める。このデジタル補正プロセスは、位相マップをコヒーレント光伝達関数にデジタル的に導入して、反復的な画像復元プロセス中に、瞳孔面における収差を補償する。
【０１２４】
図９Ａは、本発明の他の実施形態による、図６ＡのＦＰＩ方法のステップ１５５０のサブステップのフローチャートである。この例では、ＦＰＩ方法がデジタル波面補償を含む。このＦＰＩ方法は、デジタル波面補償を、２つの乗算ステップ１６０５及び１６４５中に含める。具体的には、ステップ１６０５は、実際の標本プロファイルと捕捉した輝度データ（収差を含む）との関係を、プロセッサ２１０によって、瞳孔関数
（外６９）
2015535348.tif 000073
との乗算によりモデル化する。ステップ１６４５は、こうした関係を逆にして、収差のない再構成画像を実現する。標本のデフォーカスは、デフォーカス位相係数を瞳孔面に導入すること（即ち、デフォーカス収差）と本質的に等価である：
【数３】
2015535348.tif 000074
ここに、ｋx及びｋyは瞳孔面における波数であり、ｚ0はデフォーカス距離であり、ＮＡは光学素子の開口数である。
【０１２５】
ステップ１６０５では、プロセッサ２１０がフーリエ領域内で位相係数
（外７０）
2015535348.tif 000075
を乗算する。
【０１２６】
ステップ１６１０では、プロセッサ２１０が、フーリエ領域内で高分解能画像
（外７１）
2015535348.tif 000076
のローパスフィルタ処理を実行して、特定の平面波入射角
（外７２）
2015535348.tif 000077
について、波動ベクトル
（外７３）
2015535348.tif 000078
により低分解能画像
（外７４）
2015535348.tif 000079
を生成する。高分解能画像のフーリエ変換は
（外７５）
2015535348.tif 000080
であり、特定の平面波入射角についての、低分解能画像のフーリエ変換は
（外７６）
2015535348.tif 000081
である。フーリエ領域内では、ＦＰＩ方法が、低分解能画像
（外７７）
2015535348.tif 000082
のスペクトル
（外７８）
2015535348.tif 000083
からのローパス領域を、フィルタ処理で選別する。対物レンズの形態の光学素子の場合、この領域は、ＮＡ×ｋ0の半径を有する円形開口であり、ｋ0は２π／λ（真空中の波数）に等しく、対物レンズのコヒーレント伝達関数によって与えられる。フーリエ空間内では、この領域の位置が入射角に対応する。波動ベクトル
（外７９）
2015535348.tif 000084
を有する斜面波の入射については、この領域は、
（外８０）
2015535348.tif 000085
のフーリエ領域内の位置
（外８１）
2015535348.tif 000086
を中心とする。
【０１２７】
ステップ１６３０では、プロセッサ２１０を用いて、合焦面
（外８２）
2015535348.tif 000087
低分解能画像の振幅成分
（外８３）
2015535348.tif 000088
の計算値を、ＦＰＩ装置の放射検出器によって測定した輝度測定値の平方根
（外８４）
2015535348.tif 000089
に置き換える。これにより、更新した低分解能ターゲット
（外８５）
2015535348.tif 000090
が形成される。
【０１２８】
ステップ１６４５では、プロセッサ２１０が、フーリエ領域内で、位相係数
（外８６）
2015535348.tif 000091
を乗算する。
【０１２９】
ステップ１６５０では、プロセッサ２１０を用いて、更新して試料面
（外８７）
2015535348.tif 000092
まで伝播させた、更新されたターゲット画像にフーリエ変換を適用し、このデータを、入射波動ベクトル
（外８８）
2015535348.tif 000093
に対応するフーリエ空間内の、高分解能の解
（外８９）
2015535348.tif 000094
の対応する領域内で更新する。
【０１３０】
ステップ１６６０では、プロセッサ２１０が、すべての入射角についてステップ１６０５〜１６５０を完了したか否かを判定する。すべての入射角について、ステップ１６０５〜１６５０を完了していなければ、次の入射角について、ステップ１６０５〜１６５０を反復する。
【０１３１】
大部分の実施形態では、入射角毎に反復して更新された、フーリエ空間内で隣接する領域が互いに重複する。更新した重複領域どうしの間で重複する領域では、ＦＰＩシステム１０が、同じフーリエ空間全体にわたって多数のサンプリングを有する。上記複数の入射角が、この重複する領域の面積を決定する。一実施形態では、隣接する領域間の重複領域が、隣接する領域の一方の面積の２％〜９９．５％である面積を有することができる。他の実施形態では、隣接する領域間の重複領域が、隣接する領域の一方の面積の６５〜７５％である面積を有することができる。他の実施形態では、隣接する領域間の重複領域が、隣接する領域の一方の面積の約６５％である面積を有することができる。特定の実施形態では、各重複領域が同じ面積を有する。
【０１３２】
ステップ１６７０では、プロセッサ２１０が、高分解能の解が収束したか否かを判定する。例えば、プロセッサ２１０は、高分解能の解が自己無撞着解に収束したか否かを判定する。１つの場合には、プロセッサ２１０は、前回の反復または初期推定における前の高分解能の解を、現在の高分解能の解と比較し、その差が特定値未満であれば、この解が自己無撞着解に収束したものとする。プロセッサ２１０が、この解が収束していないものと判定した場合、ステップ１６０５〜１６７０を反復する。一実施形態では、ステップ１６０５〜１６７０を１回反復する。他の実施形態では、ステップ１６０５〜１６７０を２回以上反復する。この解が収束していれば、プロセッサ２１０は、フーリエ空間内の収束した解を空間領域に変換して、高分解能画像
（外９０）
2015535348.tif 000095
を復元する。ステップ１５７０において、この解が収束したことをプロセッサ２１０が判定した場合、プロセスは随意的ステップ１６００に進むことができる。
【０１３３】
図９Ｂは、本発明の実施形態による、デジタル波面補正付きのＦＰＩ方法を実現するＦＰＩ装置の概略図である。図に示すように、ステップ１６０５及び１６４５においてデジタル瞳孔関数を導入して、実際の標本プロファイルと捕捉した輝度データとの関係をモデル化し、捕捉した輝度データは、デフォーカスによって生じた収差を示すことがある。デジタル波面補正付きのＦＰＩ方法を用いて、光学素子（例えば、対物レンズ）の空間的に変化する収差を補正することもできる。
【０１３４】
デフォーカス距離が未知である場合、ＦＰＩ方法は、式４によるオートフォーカス指数の計算に基づいて、「ｚ」パラメータを種々の異なる値にデジタル的に調整する。次に、ＦＰＩ方法は、対応する画像を再構成して、最も尖鋭な画像を選択する。このやり方を拡張して、傾斜した試料を撮像することもできる。この場合、ＦＰＩ方法は、「ｚ」パラメータをデジタル的に調整して、画像全体の傾斜領域毎に尖鋭さを達成し、焦点が合った領域どうしを組み合わせて、十分に焦点が合った全視野画像を形成することができる。
【０１３５】
他の実施形態では、代わりのデジタル乗算可能な位相係数を、乗算ステップ１６０５及び１６４５に含めて、これらの係数が使用中の光学系を適正にモデル化する限り、種々の収差を補正することができる。
【０１３６】
Ｅ．復元プロセスの推定計算コスト
放射検出器によって検出した低分解能画像がｎ個の画素を含み、Ｎ個の異なる発光素子を照明用に使用するものと仮定すれば、図６Ｂの例示する例の復元プロセスの計算コストは、ステップ１５１０、１５５０、及び１５７０の計算コストによって近似することができる。復元プロセスのステップ１５１０では、二次元高速フーリエ変換（ＦＦＴ：fast Fourier transformation）を実行して、低分解能画像
（外９１）
2015535348.tif 000096
を生成し、対応する計算コストはｎ2・log(ｎ)となる。ステップ１５５０では、他のフーリエ変換を実行して、
（外９２）
2015535348.tif 000097
のフーリエ空間の対応する領域を更新し、対応する計算コストはｎ2・log(ｎ)となる。ステップ１５６０では、上記の計算を、すべての入射角について１回反復し、従って、計算コストはＮ・２・ｎ2・log(ｎ)となる。ステップ１５７０を１回反復すれば、計算コストは２・Ｎ・２・ｎ2・log(ｎ)となる。復元プロセス中の他のステップは、以上の値に比べれば無視できる。要約すれば、図６ＢのＦＰＩ方法の計算の複雑性は４・Ｎ・ｎ2・log(ｎ)であり、ここにＮは斜め入射角の総数であり、ｎは低分解能画像の画素の総数である。
【０１３７】
ＩＶ．カラー撮像及び／または位相撮像を行う好適なＦＰＩシステム
Ａ．カラー撮像
カラー撮像能力は、病理学及び組織学において極めて重要である。特定の実施形態では、カラー撮像ができるＦＰＩシステム１０が、ＬＥＤを有する可変照射装置を具え、このＬＥＤは、赤色、緑色、及び青色の照射を与えることができる発光素子を有する。上記ＦＰＩ方法は、赤色、緑色、及び青色ＬＥＤ照明から生じる高分解能画像を組み合わせて、対応する各カラーチャネルにして、最終的な高分解能カラー画像を形成する。赤色、緑色、及び青色に対応する３つの画像が生成され、これらを組み合わせて高分解能カラー画像を形成する。
【０１３８】
デジタル病理学用途向けのこうしたＦＰＩシステム１０の実現を例証するために、このカラー撮像システムを用いて、病状スライド（人間の胸部の腺癌、カロライナ）のカラー高分解能画像を取得した。図１１Ａ(1)は、従来型顕微鏡の２倍及び２０倍の対物レンズの両者について、病状スライドの視野を比較して例示する写真である。２倍対物レンズの場合については、図１１Ａ(2)及び１１Ａ(3)の画像に示すように、従来型顕微鏡におけるＦＯＶ（視野）は直径〜１３．２５mmであり、ＮＡは０．０８である。他方では、２０倍対物レンズについては、図１１Ａ(4)及び１１Ａ(5)に示すように、この２０倍対物レンズのＮＡは０．４であり、２倍対物レンズのＮＡよりもずっと大きいのに対し、ＦＯＶ（視野）は直径１，１mmしかない。実施形態の２倍対物レンズを有するカラー撮像ＦＰＩシステム１０を用いれば、視野は２倍の場合と同じである（即ち、直径１３．２５mm）のに対し、最大ＮＡは〜０．５であり、ナイキスト（Nyquist）速度による画像全体にわたって１．８ギガピクセル以上を生じさせる。図１１Ａ(6)及び図１１Ａ(7)は、本発明の実施形態による、ＦＰＩシステム１０の視野及び対応する最大ＮＡを示すカラー画像である。
【０１３９】
図１１Ｂは、本発明の実施形態によるカラー撮像ＦＰＩシステム１０を用いて生じた画像を含む。図１１Ｂ(1)〜(18)に相当する図面の行は、それぞれ、赤色、緑色、及び青色の照射について再構成した画像に関連する。図１１Ｂ(19)は、元のカラー画像である。図１１Ｂ(20)は、コンピュータ計算で再構成したカラー画像であり、ＦＰＩシステム１０によるデジタル・リフォーカシング付きである。図１１Ｂ(21)は、４０倍対物レンズ及びカラー画像センサによって捕捉した比較用の画像である。図１１Ｃ(1)、１１Ｃ(2)、１１Ｃ(3)、１１Ｃ(4)、１１Ｃ(5)及び１１Ｃ(6)は、上記カラー撮像ＦＰＩシステム１０と、種々の異なる対物レンズとで画像品質を比較して示すカラー画像である。図１１Ｃ(6)は、ＦＰＩシステム１０によってコンピュータ計算で再構成した画像である。図１１Ｃ(1)、１１Ｃ(2)、１１Ｃ(3)、１１Ｃ(4)、及び１１Ｃ(5)は、それぞれ、２倍、４倍、１０倍、２０倍、及び４０倍の対物レンズによって捕捉した画像の比較である。
【０１４０】
Ｂ．位相撮像
位相撮像は、多数の用途において有用である。例えば、組織病状スライドのプロファイルは、細胞組織の分子スケール組織についての情報を含み得るし、Wang, Z., tangella, K., Balla, A. and Popescu, G., “Tissue refractive index as marker of disease”, Journal of Biomedical Optics 16, 116017-116017 (2011)（非特許文献２４）に記載されているように、癌診断用の固有マーカーとして用いることができ、この文献は、その全文を参照する形で本明細書に含める。他の例として、試料の情報を用いて、細胞または細胞小器官の光路長を測定して、細胞培養の成長パターンを測定するか、血液検査を実行することができ、これについては、Lue, N. et al., “Live Cell Refractometry Using Hilbert Phase Microscopy and Confocal Reflectance Microscopy”, The Journal of Physical Chemistry A, 113, p.13327-13330 (2009)（非特許文献２５）、Mir, M. et al., “Optical measurement of cycle-dependent cell growth”, Proceedings of the National Academy of Sciences 108, p.13124-13129 (2011)（非特許文献２６）、及びMir, M. et al., “Blood screening using diffraction phase cytometry”, Journal of Biological Optics 15, p.027016-027014 (2010)（非特許文献２７）に記載され、これらの文献は、その全文を参照する形で本明細書に含める。
【０１４１】
従来の全視野位相撮像技術の大部分は、干渉分光法を利用し、干渉分光法は、精巧で良好に設計された光学的位置合わせ（アライメント）を必要とする。これらの従来技術に比べて、実施形態のＦＰＩ方法は、研究者及び臨床医が、現有する顕微鏡システムに位相撮像機能を組み入れるための容易で費用効果的な解決策である。図１１Ｄは、本発明の実施形態による、ＦＰＩ方法をカラー撮像ＦＰＩシステム１０により、病状スライド及び血液塗抹標本の両方に用いて得られた位相及びカラー画像を含む。図１１Ｄ(1)及び１１Ｄ(2)は低分解能画像である。図１１Ｄ(3)及び１１Ｄ(4)は高分解能輝度画像である。図１１Ｄ(5)及び１１Ｄ(6)は高分解能位相画像である。図１１Ｄ(7)及び１１Ｄ(8)は高分解能カラー画像である。図１１Ｄ(9)及び１１Ｄ(10)は、２０倍対物レンズを有する従来型顕微鏡による画像であり、比較用である。この位相画像は、複素高分解能画像の位相角をとることによって生成される。
【０１４２】
Ｖ．追加的なシミュレーション結果
本発明の実施形態による、ＦＰＩ方法を実行するＦＰＩシステムの数値シミュレーションのいくつかの結果を、本節、及び本開示中の他の箇所に提供する。多数の実施形態では、このＦＰＩシステムが、ＦＰＩ方法を用いて、低ＮＡレンズの使用により高分解能画像を再構成する。
【０１４３】
例として、図５Ａに、本発明の実施形態による、ＦＰＩ方法を用いたＦＰＩシステムの数値シミュレーションによる結果を例示する。図５Ａは、シミュレーションによる標本の輝度プロファイルＩ(ｘ, ｙ)及び位相プロファイルψ(ｘ, ｙ)を表す２つの画像を（左側に）含む。これら２つの入力プロファイルの画素サイズは２７５mmであり、シミュレーションによる入射の波長は６３２nmである。このシミュレーションでは、この方法を、複数の静止した発光素子を発光素子の二次元アレイ形式で有するＦＰＩ装置１００(a)を用いて実行した。測定プロセス中には、標本を平面波によって、１３７通りの異なる入射角で照射し、２倍対物レンズ（０．０８ＮＡ）によってフィルタ処理し、そして５．５μmの画素サイズを有する画像センサによって捕捉した。このシミュレーションでは、試料が対物レンズの合焦位置（即ち、合焦面１２２）に配置されているものと仮定している。１％のランダムなスペックルノイズが加わった結果的な低分解能画像を、図５Ａの中央部に示す。これらの低分解能画像を基に、復元プロセスを用いて、０．５の最大ＮＡを有する高分解能画像を、フーリエ空間内で再構成した。復元プロセスでは、ローパスフィルタ処理した画像の輝度を、実際の低分解能測定値に置き換えて、高分解能再構成のフーリエ空間が相応に更新される。再構成された高分解能画像の輝度及び位相プロファイルを、図５Ａの右側に示す。データ取得測定プロセスに位相測定を含めることなしに、標本の高分解能画像を復元することができる。
【０１４４】
図５Ｂ(1)、５Ｂ(2)、５Ｂ(3)、５Ｂ(4)、５Ｂ(5)、５Ｂ(6)、５Ｂ(7)、５Ｂ(8)、５Ｂ(9)、５Ｂ(10)、５Ｂ(11)、及び５Ｂ(12)は、図５Ａに関して説明した実施形態による、ＦＰＩ方法を用いるＦＰＩシステムの数値シミュレーションによる追加的な結果を例示する。図５Ｂ(1)、５Ｂ(2)、５Ｂ(3)、５Ｂ(4)、５Ｂ(5)、５Ｂ(6)、５Ｂ(7)、５Ｂ(8)、及び５Ｂ(9)は、このシミュレーション中に得た１３７個のうち９つの、低分解能の測定結果の画像を示す。図５Ｂ(10)及び５Ｂ(11)は、それぞれ、コンピュータ計算で復元した高分解能の輝度及び位相画像である。図５Ｂ(12)は、復元画像のフーリエ空間である。低分解能画像の対応する領域を協調している。
【０１４５】
ＶＩ．性能向上率
元の低分解能画像の最大画素サイズと、高分解能画像の最大画素サイズとの比率に基づいて、ＦＰＩシステムを用いた向上率を次式のように表現することができる：
向上率＝２・ＮＡsyn／ＮＡobj    （式３）
向上率が大きいほど、システム性能も高い。
【０１４６】
特定の実施形態では、ＦＰＩシステム１０が、特定のサンプリング条件を有して、特定の向上率をもたらすことができる。一般に、このサンプリング条件は、次の２つの質問、即ち：１）与えられた対物レンズのＮＡの下で、低分解能輝度画像を取得するために用いることができる最大画素サイズはどの程度か；２）与えられた再構成画像の合成ＮＡの下で、再構成された輝度画像を表現するために用いることができる最大画素サイズはどの程度か。実施形態のＦＰＩ方法は、輝度及び位相情報を共に復元することができるので、質問１の答は、コヒーレント光学系用の条件と同じ：λ／(２・ＮＡobj)である。質問２については、合成ＮＡは、（振幅及び位相を有する）電界Ｅ用である。他方では、最終的な再構成は、輝度プロファイルＩ（Ｉ＝Ｅ・Ｅ*、ここに「＊」は複素共役を表す）用である。空間領域内でのこうした電界の乗算は、フーリエ領域内での畳み込み演算に相当する。このため、再構成された輝度画像の通過帯域は、フーリエ領域内での通過帯域の２倍である。従って、再構成された輝度画像を表現するために用いることができる最大画素サイズは、試料面ではλ／(４・ＮＡobj)である。
【０１４７】
特定実施形態では、ＦＰＩ装置１００(a)が、０．０８ＮＡの２倍対物レンズの形態の光学素子、及び５．５μmの画素サイズを有する画像センサの形態の放射検出器を含む。質問２の答より、像平面において用いることができる最大画素サイズは、青色については２・λ／(２・ＮＡobj)＝５．８８μmである。従って、画像センサの５．５μmの画素サイズは、こうしたサンプリング条件に合わせている。他方では、質問２の答に基づいて、（同じ平面における）再構成画像の画素サイズは、赤色、緑色、及び青色波長用に、それぞれ０，３４μm、０．３０μm、及び０．２８μmである。簡単のため、実現では、０．２７５μmの再構成画素サイズを、これら３つの波長用に使用した。
【０１４８】
ＶＩＩ．ＦＰＩシステムの利点
本発明の実施形態は、次の技術的利点のうち１つ以上を提供することができる。これらの利点のいくつかの例を以下に提供する。
【０１４９】
１．フーリエ領域内のオブジェクト・サポート
１つの態様では、ＦＰＩ方法が、オブジェクト・サポートの制約をフーリエ領域内に課し、このことは、大きなＦＯＶ（視野）、及び（焦点調節素子による）より高い信号対雑音比を、機械的走査なしに提供する。従来のタイコグラフィーシステムでは、オブジェクト・サポートを、空間領域内に閉じ込められた照明によって行う。これらの従来システムでは、所望の視野全体を通して、標本を機械的に走査しなければならない。
【０１５０】
２．位相測定なし
大部分の実施形態では、ＦＰＩ方法が、標本の位相測定を必要としない。従来の干渉法による合成開口顕微鏡は、その検出スキーム（方式）において位相測定を必要とし、これについては、Rodenburg, J. M. and Bates, R. H. T., “The theory of super-resolution electron microscopy via Wigner-distribution deconvolution”, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 339, p.521-553 (1992)（非特許文献２８）、H. M. L. and Rodenburg, J. M., “Movable aperture lensless transmission microscopy, a novel phase retrieval algorithm”, Phys. Rev. Lett. 93, 023903 (2004)（非特許文献２９）、Rodenburg, J. M. et al., “Hard-X-ray lensless imaging of extended objects”, Phys. Rev. Lett. 98, 034801 (2007)（非特許文献３０）、Thibault, P. et al., “High-resolution scanning X-ray diffraction microscopy”, Science 321, p.379-382 (2008)（非特許文献３１）、Dierolf, M. et al., “Ptychographic coherent diffractive imaging of weakly scattering specimens”, New J.Phys. 12, 035017 (2010)（非特許文献３２）、Maiden, A. M., Rodenburg, J. M. and Humphry, M. J., “Optical ptychography: a practical implementation with useful resolution”, Opt. let. 35, p.2585-2587 (2010)（非特許文献３３）、Humphry, M., Kraus, B., Hurst, A., Maiden, A. and Rodenburg, J., “Ptychographic electron microscopy using high-angle dark-field scattering for sub-nanometric resolution imaging”, Nat. Commun. 3, 730 (2012)（非特許文献３４）に記載されていると言える。これらの文献は、その全文を参照する形で本明細書に含める。測定された位相情報を必要としないので、ＦＰＩシステムは、従来の干渉法による検出スキーム（方式）に関連する設計上の挑戦をなくす。
【０１５１】
３．光学素子の物理的限界を超える空間帯域幅積
１つの利点は、特定実施形態のＦＰＩシステムが、従来型装置により空間帯域幅を増加させる以前の試みの欠点を回避しつつ、空間帯域幅積を、単純かつ費用効果的な方法で、当該ＦＰＩシステムの光学系の物理的限界を超えて増加させることができることにある。これらのシステムは、ＦＰＩ方法を用いて、光学系の分解能から視野を切り離し、このことは、これらのシステムが低ＮＡレンズで高分解能画像を生成することを可能にする。従って、これらのＦＰＩシステムの性能は、その光学系の空間的帯域幅積によって制限されない。１つの好適な実施形態では、０．５の最大ＮＡ、１２０mm2の視野、及び分解能不変の０．３mmの撮像深度を有する１．６ギガピクセルのシステムを形成するＦＰＩシステムが実現された。
【０１５２】
４．スケーラブルな性能
前述したように、実施形態のＦＰＩシステムでは、分解能とＦＯＶ（視野）とが結び付かない。一実施形態では、特定のＮＡを有する対物レンズを使用することによって、かつ特定数Ｎ個の照明を使用することによって、ＦＰＩシステムを所望の性能向けにスケーリングすることができる。例えば、対物レンズのＮＡを低減することによって、及び／または、照明の数Ｎを増加させることによって、ＦＰＩシステムの性能を増加させることができる。一実施形態では、ＦＰＩシステムが、機械的走査及び／または位相測定の利用なしに、既存の明視野顕微鏡よりも２桁高い性能を提供する。
【０１５３】
５．従来型顕微鏡に実装することができるモジュール形式
特定の場合には、ＦＰＩシステムの構成要素をモジュール形式にして、従来型顕微鏡または他の従来型撮像装置に容易に実装することができる。これらの実装は、デジタル病理学、血液学、免疫化学、及び法医学の写真撮影に広く影響を与える可能性を有し得る。例えば、ＦＰＩシステムのモジュール構成要素は、可変照明装置（例えば、単純な発光ダイオード（ＬＥＤ）マトリクス）、及びＦＰＩ方法を実行するための命令を有するプロセッサを含むことができる。
【０１５４】
６．機械的走査なし
特定の実施形態では、ＦＰＩ方法が機械的走査を必要としない。従来の合成開口及び走査ベース広視野顕微鏡技術とは異なり、実施形態のＦＰＩ方法は、機械的走査を必要としない。このため、実施形態のＦＰＩ方法は、プラットフォーム設計を簡略化し、関連するコストを低減し、そしてより高い性能限界を可能にする。
【０１５５】
７．カラー撮像ができる
他の利点は、特定実施形態のＦＰＩシステムを用いてカラー画像を生成することができる、ということであり、このことは、病理学及び組織学用途において極めて重要である。実施形態では、ＦＰＩシステムが、種々の異なる色の照射を与える可変照明装置（例えば、カラーＬＥＤマトリクス）を有することによって、カラー撮像をすることができる。デジタル・リフォーカシングを実装すれば、コンピュータ計算で再構成した画像は、光学系の色収差がないままにすることができる。
【０１５６】
８．デジタル・リフォーカシング及び拡張された焦点深度
従来型顕微鏡において最適な分解能を達成するためには、ステージを使用して、焦点から外れた標本を機械的に焦点にもっていかなければならない。特定実施形態では、ＦＰＩ方法が、機械的ではなくコンピュータ計算で画像をデジタル的にリフォーカスすることができる。この態様は、標本が全視野にわたって完全に位置合わせされていない場合にとって、特に有用である。デジタル・リフォーカシングを用いて、ＦＰＩシステムは、焦点深度を、光学素子の光学的限界を超えて拡張することができる。例えば、一実施形態のＦＰＩ方法を用いて、従来型顕微鏡の対物レンズの焦点深度を、約８０μmから約０．３mmまで拡張することができる。このように増加した焦点深度は、顕微鏡スライドの配置誤差に大きな許容範囲をもたらし、このことは、従来型システムに対して精度を改善する。
【０１５７】
９．位相撮像能力
生体試料のプロファイルは、試料の分子スケール組織の情報を含み、固有のマーカーとして種々の異なる用途に用いることができる。位相撮像をする能力は、細胞分離及び細胞計数のようなデジタル画像処理にとっても重要である。従来の全視野位相撮像技術は、相当精巧であり、かつ良好に設計された光学的位置合わせ（アラインメント）を必要とする。特定の実施形態では、ＦＰＩ方法が、研究者及び臨床医が現有する顕微鏡システムに位相撮像機能を組み入れるための容易で費用効果的な解決策を提供する。このＦＰＩ方法は、試料の複素画像を再構成することができる。特定の実施形態では、ＦＰＩ方法が、複素画像の位相角をとることによって位相画像を生成することができる。
【０１５８】
１０．Ｘ線及びＴＨｚ（テラヘルツ）用途
特定の実施形態では、ＦＰＩ方法を、テラヘルツ及びＸ線撮像用途に拡張することができ、この用途では、レンズが貧弱であり、かつ非常に限られた開口数のものである。
【０１５９】
ＶＩＩＩ．Ｘ線撮像用のＦＰＩシステム
特定の実施形態では、ＦＰＩシステム１０を、Ｘ線撮像用に構成することができる。これらの実施形態では、フーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像システム１０が、Ｘ線放射源（例えば、Ｘ線管及び金属ターゲット）付きのＦＰＩ装置を具えている。
【０１６０】
一実施形態では、フーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像システム１０が、図４Ａに示すＦＰＩ装置１００(c)を含み、その構成要素はＸ線放射用に構成されている。この実施形態では、ＦＰＩ装置１１０(c)が、剛体アセンブリとしてステージ（例えば、ゴニオメーター・ステージ）上に装着することができるアセンブリ１７０を具え、このステージは、Ｘ線放射を指向させる静止した発光素子１１２に対して、アセンブリ１７０を平行移動及び／または回転させて、Ｘ線放射をＮ通りの入射角から標本２０に与える。ＦＰＩ装置１００(c)は、アセンブリ１７０を発光素子１１２に対して平行移動及び／または回転させるためのメカニズム１６０を具えている。このメカニズム１７０は、静止した基盤（ベース）に固定することができる。ＦＰＩ装置１００(c)は、光学素子１３０(c)及び放射検出器１４０(c)も具えている。これらの構成要素は、共にＸ線放射用に設計され、即ち、Ｘ線光学素子及びＸ線放射検出器である。Ｘ線光学素子は、例えば、マイクロ・ゾーンプレートまたは斜入射ミラーである。マイクロ・ソーンプレートは、全視野画像をＸ線放射検出器に投射することができる。Ｘ線放射検出器は、例えば、Ｘ線感光ＣＣＤとすることができる。マイクロ・ゾーンプレート及びＸ線感光ＣＣＤは、Chao, W., Harteneck, B., Liddle, A., Anderson, E., and Attwood, D., “Soft-X-ray microscopy at a spatial resolution better than 15nm”, nature, Vol. 435 (2005年6月30日)（非特許文献３５）に見出すことができ、この文献は、その全文を参照する形で本明細書に含める。この実施形態では、発光素子１１２が静止したＸ線放射源を具えることができる。
【０１６１】
他の実施形態では、フーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像システム１０が、図４Ｂに示すＦＰＩ装置１００(d)を含むことができ、その構成要素はＸ線放射用に構成されている。この実施形態では、ＦＰＩ装置１１０(d)が発光素子１１２を具え、発光素子１１２は、Ｘ線放射をＮ通りの入射角から標本２０に指向させる。例えば、発光素子１１２は、１つ以上の軸線の周りに旋回することができる。ＦＰＩ装置１００(d)は、光学素子１３０(b)及び放射検出器１４０(b)も具えている。この実施形態では、光学素子１３０(b)及び放射検出器１４０(b)をＸ線放射用に設計することができ、即ち、これらは、それぞれＸ線光学素子（例えば、マイクロ・ゾーンプレートまたは斜入射ミラー）及びＸ線放射検出器（例えば、Ｘ線感光ＣＣＤ）とすることができる。この実施形態では、発光素子１１２がＸ線放射源を具えることができる。
【０１６２】
上記フーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像システム１０は、図６Ａに関して説明したＦＰＩ方法を実行することができる。ステップ１１００では、ＦＰＩ方法が、Ｘ線放射を指向させる静止した発光素子１１２に対して、アセンブリ１７０を平行移動及び／または回転移動させることによって、照射をＮ通りの入射角から標本領域に与える。
【０１６３】
Ｘ線撮像を実現することによって、これらのフーリエ・タイコグラフィーＸ線撮像システム１０は、追加的能力を提供する。例えば、これらのシステムは、標本内へのより大きな貫通深度をもたらすことができる。他の例として、Ｘ線撮像は、元素及び化学物質の同定を、１０nm以下のスケールで可能にすることができる。
【０１６４】
ＩＸ．サブシステム
図１２は、実施形態によるＦＰＩシステム１０内に存在することができるサブシステムのブロック図である。例えば、ＦＰＩシステム１０はプロセッサ２１０を含む。一部の場合には、プロセッサ２１０をＦＰＩ装置１００の構成要素とすることができる。一部の場合には、プロセッサ２１０を放射検出器１４０の構成要素とすることができる。
【０１６５】
前に図面中に記載した種々の構成要素を、１つ以上のサブシステムを用いて動作させて、本明細書に記載した機能を促進することができる。図面中のあらゆる構成要素は、あらゆる適切な数のサブシステムを用いて、本明細書に記載した機能を促進することができる。こうしたサブシステム及び／または構成要素を図１２に示す。図１２に示すサブシステムは、システムバス２４２５を介して相互接続することができる。プリンタ２４３０、キーボード２４３２、固定ディスク２３４４（または、コンピュータ可読媒体を含む他の記憶装置）、ディスプレイ・アダプタ２４３８に結合されたにディスプレイ２３０、及び他のもののような追加的サブシステムを示す。Ｉ／Ｏ（入出力）コントローラ２４４０に結合される周辺装置及び入力／出力（Ｉ／Ｏ）は、シリアルポート２４４２のような現在技術において既知の任意数の手段によって接続することができる。例えば、シリアルポート２４４２または外部インタフェース２４４４を用いて、コンピュータ装置２００を、インターネットのようなワイドエリア・ネットワーク、マウス入力装置、またはスキャナに接続することができる。システムバス２４４５を介した相互接続は、プロセッサ２１０が、各サブシステムと通信して、システムメモリ２４４６または固定ディスク２４３４からの命令の実行、並びにサブシステム間の情報の交換を可能にする。一部の場合には、システムメモリ２４４６及び／または固定ディスク２４３４が、ＣＲＭ２２０を具体化することができる。これらの要素のいずれも、前述した特徴中に存在することができる。
【０１６６】
一部の実施形態では、ＦＰＩシステム１０のプリンタ２４３０またはディスプレイ２３０のような出力装置が、種々の形式のデータを出力することができる。例えば、ＦＰＩシステム１０は、２Ｄ（二次元）のカラー／モノクロ（単色）画像（輝度及び／または位相）、これらの画像に関連するデータ、あるいはＦＰＩシステム１０によって実行した分析に関連するデータを出力することができる。
【０１６７】
本発明の範囲を逸脱することなしに、上述したＦＰＩ方法及びそれに関連する特徴のいずれにも、例えば、図６Ａ及び６Ｂ、及び他の図示に関して説明した特徴に対して、変形、追加、または省略を行うことができる。本発明の範囲を逸脱することなしに、上述したＦＰＩ方法のいずれも、より多数の特徴、より少数の特徴、あるいは他の特徴を含むことができる。これに加えて、本発明の範囲を逸脱することなしに、上述した特徴のステップは、あらゆる適切な順序で実行することができる。
【０１６８】
上述した本発明は、コンピュータ・ソフトウェアをモジュール様式または統合様式で用いる制御論理回路の形式で実現することができることは明らかである。本明細書に提供する開示及び教示に基づいて、当業者は、ハードウェア及びハードウェアとソフトウェアの組合せを用いて本発明を実現するための他のやり方または方法を知り、認識する。
【０１６９】
本願中に記載したあらゆるソフトウェア・コンポーネントまたは機能は、プロセッサによって、あらゆる適切なコンピュータ言語を用いて実行されるソフトウェアコードとして実現することができ、これらのコンピュータ言語は、例えば従来技術またはオブジェクト指向技術を用いる、例えばＪａｖａ（登録商標）、Ｃ＋＋、またはＰｅｒｌ（登録商標）である。これらのソフトウェアコードは、一連の命令またはコマンドとしてＣＲＭ上に記憶することができ、ＣＲＭは、例えばランダムアクセスメモリ（ＥＡＭ：random access memory）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ：read only memory）、ハードディスク・ドライブまたはフロッピー（登録商標）ディスクのような磁気媒体、あるいはＣＤ−ＲＯＭ（compact-disc read only memory）のような光媒体である。あらゆるこうしたＣＲＭが、単一のコンピュータ装置上または装置内に存在することができ、そして、システムまたはネットワーク内の異なる計算装置上または装置内に存在することができる。
【０１７０】
以上に開示した実施形態は、理解を促進するために多少詳しく説明してきたが、説明した実施形態は例示的なものであり限定的なものではない。添付した特許請求の範囲内で、一定の変更及び変形を実施することができることは、当業者にとって明らかである。
【０１７１】
本発明の範囲を逸脱することなしに、あらゆる実施形態からの１つ以上の特徴を、他のあらゆる実施形態の１つ以上の特徴と組み合わせることができる。さらに、本発明の範囲を逸脱することなしに、あらゆる実施形態に対して、変形、追加、または省略を行うことができる。本発明の範囲を逸脱することなしに、あらゆる実施形態の構成要素を、特定の必要に応じて統合または分離することができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１０Ｆ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【国際調査報告】
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