(57)【要約】ある態様に関する開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置は、光学配置の中間面において異なる位置に開口を生成することができる開口スキャナと、異なる開口位置の低分解能輝度画像を取得することができる検出器とを含み、取得した低分解能画像によりフーリエ空間における領域を反復的に更新することによって、高分解能複素画像を構築し得る。
2016534389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置であって、
サンプルから光を受信するよう構成される第１光学素子と、
第２光学素子と、
中間面において複数の開口位置に開口を生成するよう構成される開口スキャナであって、当該開口は、開口での入射光を前記第１光学素子から前記第２光学素子へ通過させるよう構成される、開口スキャナと、
前記第２光学素子から光を受信し、異なる開口位置と対応付けられる複数の輝度画像を取得するよう構成される光検出器と、
前記取得された輝度画像によりフーリエ空間における領域を反復的に更新することによって、前記サンプルの複素画像を構築するよう構成されるプロセッサと
を含む開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置。
【請求項２】
前記中間面は、サンプル面と対応付けられるフーリエ面である、請求項１に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置。
【請求項３】
前記光検出器によって取得される前記複数の輝度画像のそれぞれは、前記複数の開口位置のうちの異なる開口位置と固有に対応する、請求項１に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置。
【請求項４】
前記開口スキャナはさらに、各取得時間において複数の開口を形成するために前記中間面において追加の開口を生成するよう構成される、請求項１に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置。
【請求項５】
さらに、前記複数の開口位置における隣接開口位置間に開口重なりを含む、請求項１に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置。
【請求項６】
前記重なりは、開口の面積の少なくとも約７０％である、請求項５に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置。
【請求項７】
前記重なりは、開口の面積の少なくとも約７５％である、請求項５に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置。
【請求項８】
前記重なりは、開口の面積の２０％〜９０％である、請求項５に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置。
【請求項９】
前記第１光学素子および／または前記第２光学素子は、レンズである、請求項１に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置。
【請求項１０】
前記第１光学素子および前記第２光学素子は、４ｆ構成である、請求項１に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置。
【請求項１１】
前記第１光学素子は、第１焦点距離を有し、サンプル面から前記第１焦点距離に位置し、
前記第２光学素子は、第２焦点距離を有し、前記中間面から前記第２焦点距離に位置し、
前記中間面は、前記第１光学素子から前記第１焦点距離に位置し、前記第１ 光学素子から前記第１ 焦点距離に位置する、請求項１に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置。
【請求項１２】
前記光検出器は、前記第２光学素子から前記第２焦点距離に位置する、請求項１１に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置。
【請求項１３】
前記開口スキャナは、反射素子として前記開口を表示するよう構成される空間光変調器である、請求項１に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置。
【請求項１４】
前記空間光変調器は、前記反射素子を表示するためのＬＣｏＳ（ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ）ディスプレイを含む、請求項１３に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置。
【請求項１５】
前記開口スキャナは、デジタルマイクロミラーデバイスを含む、請求項１に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置。
【請求項１６】
前記開口は、入射光を前記第２光学素子へ反射するために第１角度に向けられた１つ以上のマイクロミラーを含み、前記開口を囲む領域は、入射光を前記第２光学素子から離れる方向に反射するために第２角度に向けられた１つ以上のマイクロミラーを含む、請求項１５に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置。
【請求項１７】
開口走査フーリエタイコグラフィ撮像方法であって、
サンプルを照明し、
前記サンプルから、第１光学素子で、入射光を受信し、
中間面において複数の位置に開口を生成し、
前記開口での入射光を前記第１光学素子から第２光学素子へ通過させ、
前記第２光学素子から光を受信する検出器により、複数の輝度画像を取得し、
前記複数の輝度画像によりフーリエ空間における領域を反復的に更新することによって前記サンプルの複素画像を構築する、
開口走査フーリエタイコグラフィ撮像方法。
【請求項１８】
前記中間面は、サンプル面に対応するフーリエ面である、請求項１７に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像方法。
【請求項１９】
さらに、各取得時間において前記中間で 複数の開口を形成するために前記中間面において追加の開口を生成する、請求項１７に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像方法。
【請求項２０】
前記開口の生成において、空間光変調器のディスプレイ上に１つ以上の反射素子を表示する、請求項１７に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像方法。
【請求項２１】
前記開口の生成において、入射光を前記第２光学素子へ反射するように１つ以上のマイクロミラーを向ける、請求項１７に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像方法。
【請求項２２】
前記検出部によって取込まれる前記複数の輝度画像は、前記複数の開口位置のうちの異なる開口位置と固有に対応する、請求項１７に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像方法。
【請求項２３】
前記複数の開口位置のうちの隣接開口位置間に開口重なりがある、請求項１７に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像方法。
【請求項２４】
前記開口重なりは、開口の面積の少なくとも約７０％である、請求項１７ に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像方法。
【請求項２５】
さらに、前記複素画像を１つ以上の面に伝搬する、請求項１７に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像方法。
【請求項２６】
前記複数の輝度画像によりフーリエ空間における領域を反復的に更新することによる前記サンプルの複素画像の構築において、
（ａ）フーリエ空間における現高分解能画像を初期化し、
（ｂ）前記複数の開口位置のうちの開口位置の輝度画像を生成するために、フーリエ空間において前記現高分解能画像の重なり領域をフィルタリングし、
（ｃ）前記輝度画像の輝度を、輝度測定値で置き換え、
（ｄ）測定輝度を有する前記輝度画像でフーリエ空間における重なり領域を更新する、請求項１７に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願へのクロスリファレンス】
【０００１】
本願は、２０１３年７月３１日に出願された米国特許仮出願６１／８６０，７８６号、発明の名称“Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ  Ｐｔｙｃｈｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ”、および、２０１３年８月２２日に出願された米国特許仮出願６１／８６８，９６７号、発明の名称“Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｐｔｙｃｈｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”  の利益を主張するものであり、両出願の全体を、全ての目的で、ここに参照のために取込む。
【背景技術】
【０００２】
本明細書に記載の実施形態は、一般に、撮像技術に関し、より具体的には、フーリエタイコグラフィ撮像方法、装置、およびシステムに関する。実施形態は、例えば、顕微鏡法および／または写真術等の用途で用いられてもよい。
【０００３】
顕微鏡対物から衛星カメラまで、撮像レンズは、分解可能な特徴の総数が物理的に制限されている。これらの制限は、撮像システムの点広がり関数（ｐｏｉｎｔ−ｓｐｒｅａｄ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ  （ＰＳＦ））サイズと、その結像面視野（ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ｖｉｅｗ  （ＦＯＶ））に亘る固有収差との関数 である。空間帯域幅積と呼ばれる物理的制限は、レンズ寸法と対応するが、通常、拡大係数や開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ａｐｅｒｔｕｒｅ（ＮＡ））にかかわらず、約１０メガピクセルである。従来の撮像システムの空間帯域幅積については、Ｌｏｈｍａｎｎ，Ａ．Ｗ．，Ｄｏｒｓｃｈ，Ｒ．Ｇ．，Ｍｅｎｄｌｏｖｉｃ，  Ｄ．，Ｚａｌｅｖｓｋｙ，Ｚ．＆Ｆｅｒｒｅｉｒａ，Ｃ．，“Ｓｐａｃｅ-ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  ｐｒｏｄｕｃｔ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｉｇｎａｌｓ  ａｎｄ  ｓｙｓｔｅｍｓ，”Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ．１３，ｐｐ．４７０-４７３（１９９６）に記載があり、本考察に関して、ここに参照のために取込む。従来の撮像システムは１０メガピクセルまで分解可能であるが、典型的に、ＰＳＦとＦＯＶとの間にはトレードオフがある。例えば、ある従来の顕微鏡対物は、狭いＦＯＶ（例：１ｍｍ）に亘って鋭いＰＳＦ（例：０．５μｍ）を提供できる一方、広角レンズを有する他の撮像システムは、ぼやけたＰＳＦ（例：５μｍ）ではあるが広いＦＯＶ（例：１０ｍｍ）を提供できる。
【０００４】
空間帯域幅積を高めるよう試みる干渉合成開口技術が、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，ｐｐ．５６５４−５６５９（２００８）；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．Ｅｘｐｒｅｓｓ１７，ｐｐ．７８７３−７８９２（２００９）；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，ｐｐ．８４５−８５７（２０１０）；Ｋｉｍ，Ｍ．ｅｔ  ａｌ．，“Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ  ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ｆｏｒ  ｌｉｖｅ  ｃｅｌｌ  ｉｍａｇｉｎｇ，”Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．３６，ｐｐ．１４８−１５０（２０１１）；Ｔｕｒｐｉｎ，Ｔ．，Ｇｅｓｅｌｌ，Ｌ．，Ｌａｐｉｄｅｓ，Ｊ．，ａｎｄ  Ｐｒｉｃｅ，Ｃ．，“Ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，”ｐｐ．２３０−２４０；Ｓｃｈｗａｒｚ，Ｃ．Ｊ．，Ｋｕｚｎｅｔｓｏｖａ，Ｙ．，ａｎｄ  Ｂｒｕｅｃｋ，Ｓ．，“Ｉｍａｇｉｎｇ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，”Ｏｐｔｉｃｓ  ｌｅｔｔｅｒｓ  ２８，ｐｐ．１４２４−１４２６（２００３）；Ｆｅｎｇ，Ｐ．，Ｗｅｎ，Ｘ．，ａｎｄ  Ｌｕ，Ｒ．，“Ｌｏｎｇ−ｗｏｒｋｉｎｇ−ｄｉｓｔａｎｃｅ  ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  Ｆｒｅｓｎｅｌ  ｏｆｆ−ａｘｉｓ  ｄｉｇｉｔａｌ  ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ，”Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  １７，ｐｐ．５４７３−５４８０（２００９）；Ｍｉｃｏ，Ｖ．，Ｚａｌｅｖｓｋｙ，Ｚ．，Ｇａｒｃiａ−Ｍａｒｔiｎｅｚ，Ｐ．，ａｎｄ  Ｇａｒｃiａ，Ｊ．，“Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｓｕｐｅｒｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｏｆｆ−ａｘｉｓ  ｈｏｌｏｇｒａｍｓ，”ＪＯＳＡ  Ａ  ２３，ｐｐ．３１６２−３１７０（２００６）；Ｙｕａｎ，Ｃ．，Ｚｈａｉ，Ｈ．，ａｎｄ  Ｌｉｕ，Ｈ．，“Ａｎｇｕｌａｒ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  ｉｎ  ｐｕｌｓｅｄ  ｄｉｇｉｔａｌ  ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ  ｆｏｒ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，”Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ３３，ｐｐ．２３５６−２３５８（２００８）；Ｍｉｃｏ，Ｖ．，Ｚ��ｌｅｖｓｋｙ，Ｚ．，ａｎｄ  Ｇａｒｃiａ，Ｊ．，“Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ｕｓｉｎｇ  ｏｆｆ−ａｘｉｓ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｃｏｄｉｎｇ，”Ｏｐｔｉｃｓ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｐｐ．２７６，２０９−２１７（２００７）；Ａｌｅｘａｎｄｒｏｖ，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）；Ｔｉｐｐｉｅ，Ａ．Ｅ．，Ｋｕｍａｒ，Ａ．，ａｎｄ  Ｆｉｅｎｕｐ，Ｊ．Ｒ．，“Ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ−ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｄｉｇｉｔａｌ  ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ  ｗｉｔｈ  ｄｉｇｉｔａｌ  ｐｈａｓｅ  ａｎｄ  ｐｕｐｉｌ  ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ，”Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ  １９，ｐｐ．１２０２７−１２０３８（２０１１）；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，ｐｐ．１１３６−１１３８（２０１０）；および、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，ｐｐ．５２１−５５３（１９９２）に記載されており、これら全てを、空間帯域幅を上げる試みの考察に関して、ここに参照のために取込む。前記干渉合成開口技術のほとんどは、オフラインホログラフィや位相シフトホログラフィ等の干渉ホログラフィを用いて輝度および位相情報のどちらも記録する設定を含む。干渉ホログラフィには、限界がある。例えば、干渉ホログラフィ記録は、典型的に、非常にコヒーレントな光源を利用する。このため、構築画像は、典型的に、スペックルノイズ、（ビーム路程におけるちり粒子や他の光学欠陥からの回折によって引き起こされる）固定パターンノイズ、および異なる光インターフェース間の多重干渉等の、コヒーレントノイズ源の影響を受ける。したがって、画質は、典型的に、従来型顕微鏡より悪い。他方で、軸外れ（オフアクシス）ホログラフィの利用は、画像センサの空間帯域幅積を犠牲にする（すなわち、総画素数を減らす）。軸外れホログラフィ法については、Ｓｃｈｎａｒｓ，Ｕ．ａｎｄ  Ｊuｐｔｎｅｒ，Ｗ．Ｐ．Ｏ．，“Ｄｉｇｉｔａｌ  ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ  ａｎｄ  ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｏｌｏｇｒａｍｓ，”Ｍｅａｓｕｒ���ｍｅｎｔ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１３，Ｒ８５（２００２）に記載があり、本考察に関して、ここに参照のために取込む。加えて、干渉撮像技術では、異なる測定間で、制御不能な位相変動が生じ得る。よって、画像復元プロセスにおける基準点を設定するために、サンプル位置の正確な先験的知識が必要になり得る。他の限界は、これら干渉撮像システムの多くが、サンプルを回転させるために機械的走査を要し、したがって、精密な光学位置合わせ、サブミクロンレベルの機械的制御、および関連するメンテナンスが、これらのシステムにとって必要になることである。空間帯域幅積の観点から、これら干渉撮像システムは、従来型顕微鏡と比べて、ほとんどあるいは全く利点がない。
【０００５】
デジタルインラインホログラフィや接触撮像顕微鏡法等の以前のレンズなし顕微鏡法にも、欠点がある。例えば、従来のデジタルインラインホログラフィは、隣接サンプルに対して良好に機能せず、接触撮像顕微鏡法は、サンプル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装置については、Ｄｅｎｉｓ，Ｌ．，Ｌｏｒｅｎｚ，Ｄ．，Ｔｈｉｅｂａｕｔ，Ｅ．，Ｆｏｕｒｎｉｅｒ，Ｃ．ａｎｄ  Ｔｒｅｄｅ，Ｄ．，“Ｉｎｌｉｎｅ  ｈｏｌｏｇｒａｍ  ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ｓｐａｒｓｉｔｙ  ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，”Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．  ３４，ｐｐ．３４７５-３４７７（２００９）；Ｘｕ，Ｗ．，Ｊｅｒｉｃｈｏ，Ｍ．，Ｍｅｉｎｅｒｔｚｈａｇｅｎ，Ｉ．，ａｎｄ  Ｋｒｅｕｚｅｒ，Ｈ．，“Ｄｉｇｉｔａｌ  ｉｎ−ｌｉｎｅ  ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ  ｆｏｒ  ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，”Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ  Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ  ９８，ｐｐ．１１３０１-１１３０５（２００１）；および、Ｇｒｅｅｎｂａｕｍ，Ａ．ｅｔ  ａｌ．，“Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ  ｓｐａｃｅ-ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  ｐｒｏｄｕｃｔ  ｉｎ  ｐｉｘｅｌ  ｓｕｐｅｒ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ  ｌｅｎｓｆｒｅｅ  ｏｎ−ｃｈｉｐ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，”Ｓｃｉ．Ｒｅｐ．３，ｐ．１７１７（２０１３）  に記載があり、本考察に関して、ここに参照のために取込む。接触撮像顕微鏡法については、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，ｐｐ．１６８８９-１６８９４（２０１１）；および、Ｚｈｅｎｇ，Ｇ．，Ｌｅｅ，Ｓ．Ａ．，Ｙａｎｇ，Ｓ．＆  Ｙａｎｇ，Ｃ．，“Ｓｕｂ−ｐｉｘｅｌ  ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ  ｏｐｔｏｆｌｕｉｄｉｃ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  ｆｏｒ  ｏｎ−ｃｈｉｐ  ｃｅｌｌ  ｉｍａｇｉｎｇ，”Ｌａｂ  Ｃｈｉｐ  １０，ｐｐ．３１２５-３１２９（２０１０）に記載があり、本考察に関して、ここに参照のために取込む。
【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、および神経解剖学等の生物医学用途向けに、高い空間帯域幅積が大いに望まれる。例えば、生物医学および神経科学においては、評価用に多数の組織スライドをデジタル撮像する必要性が高い。この必要性により、高度な機械走査式・レンズなし顕微鏡システムの開発が促進されてきた。これらのシステムは、作動、光学位置合わせ、および動作追跡を制御するために、高い精度を有する複雑なメカニズムを用いて、空間帯域幅積を増加させる。これら複雑なメカニズムは、製造コストが高く、使用やメンテナンスが難しい傾向がある。
【発明の概要】
【０００７】
本開示の態様は、撮像技術に関し、より具体的には、フーリエタイコグラフィ撮像方法、装置、およびシステムに関する。これらは、例えば、顕微鏡法や写真術等の用途で用いられてもよい。
【０００８】
ある態様は、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置に関する。開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置は、光学素子と、光学素子の中間面において複数の位置で開口を生成することができる開口スキャナと、異なる開口位置での低分解能輝度画像を取得することができる検出器とを含み、取得された低分解能画像を用いてフーリエ空間における領域を反復的に更新することによって、高分解能複素画像を作成してもよい。
【０００９】
いくつかの態様において、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像装置は、サンプルから光を受信するよう構成される第１光学素子と、第２光学素子とを含む。当該装置はさらに、中間面において複数の開口位置に開口を生成するよう構成される開口スキャナであって、当該開口は、開口での入射光を前記第１光学素子から前記第２光学素子へ通過させるよう構成される、開口スキャナを含む。当該装置はさらに、前記第２光学素子から光を受信し、異なる開口位置と対応付けられる複数の輝度画像を取得するよう構成される光検出器を含む。当該装置はさらに、前記取得された輝度画像によりフーリエ空間における領域を反復的に更新することによって、前記サンプルの複素画像を構築するよう構成されるプロセッサを含む。
【００１０】
いくつかの態様において、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像方法は、サンプルを照明し、前記サンプルから、第１光学素子で、入射光を受信し、中間面において複数の位置に開口を生成し、前記開口での入射光を前記第１光学素子から第２光学素子へ通過させる。当該方法はさらに、前記第２光学素子から光を受信する検出器により、複数の輝度画像を取得し、前記複数の輝度画像によりフーリエ空間における領域を反復的に更新することによって前記サンプルの複素画像を構築する。
【００１１】
これらの特徴やその他の特徴を、添付図面を参照して、以下により詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】中間面での光学伝達関数変調を伴うフーリエタイコグラフィ撮像システムの構成要素の概略図である。
【図２】図２Ａおよび２Ｂは、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムの構成要素の概略図である。
【図３】図３Ａは、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムの構成要素の概略図である。図３Ｂは、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムにおいて実装可能な空間光変調器の表示の断面図を表す概略図である。
【図４】ＤＭＤアレイを含む開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムの構成要素の概略図である。
【図５】ＤＭＤアレイを含む開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムの構成要素の概略図である。
【図６】ＬＣＯＳアレイを含む開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムの構成要素の概略図である。
【図７】開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムの構成要素の概略図である。
【図８】開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムによって行われる開口走査フーリエタイコグラフィ撮像方法のフローチャートである。
【図９】デジタル波面補正を伴う開口走査フーリエタイコグラフィ撮像方法である。図９Ａは、図８の方法の１つ以上のステップのサブステップの例を示すフローチャートである。図９Ｂは、図８の方法の１つ以上のステップのサブステップの他の例を示すフローチャートである。
【図１０】ある態様に係るタイル撮像を伴う開口走査フーリエタイコグラフィ方法のフローチャートである。
【図１１】開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムに存在し得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】
【００１３】
以下に、本発明の実施形態を、添付図面を参照して説明する。図面に示す特徴は、正確な縮尺とは限らない。
【００１４】
Ｉ．概要
【００１５】
フーリエタイコグラフィ撮像は、複雑なサンプル画像を回復するために角ダイバーシティを用いる位相回復技術を実装する。回復プロセスは、空間領域における既知のサンプル情報とフーリエ領域における固定制約との交互実施を含む。位相回復 は、交互投影アルゴリズムの任意の変形、問題の凸再編成、または中間の非凸変形を用いて実装されてもよい 。サンプルを横方向にシフトする（すなわち、並進ダイバーシティを適用する）代わりに、フーリエタイコグラフィ撮像は、フーリエ領域において走査スペクトル制約を用いて、フーリエ通過帯域を単一取込み画像のそれよりも拡大して、分解能が向上した複雑なサンプル画像を回復する。
【００１６】
ある可変角度照明フーリエタイコグラフィ撮像システムは、可変照明光源（例：ＬＥＤアレイ）を使って、撮像対象サンプルを、異なる照明角度から連続的に照明する。低開口数対物レンズ等の光学素子は、サンプルからの光をフィルタリングする。放射線検出器は、光学素子からフィルタリングされた光を受信し、各照明角度でサンプルの輝度画像を取込む。多重分解能画像をフーリエ領域において反復的につなぎ合わせて、当該画像の高分解能画像を回復してもよい。可変角度照明フーリエタイコグラフィシステム、装置、および方法の詳細については、２０１３年１０月２８日に出願された米国特許出願１４／０６５，２８０号、発明の名称“Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｐｔｙｃｈｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  Ｄｅｖｉｃｅｓ，  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ”、および、米国特許出願１４／０６５，３０５号、発明の名称“Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｐｔｙｃｈｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｘ−ｒａｙ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  Ｄｅｖｉｃｅｓ，  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ，”に記載があり、これらの詳細に関して、ここに参照のために取込む。
【００１７】
いくつかの態様において、本明細書に記載のフーリエタイコグラフィ撮像システムは、光学配置の中間面において複数Ｎ個の開口位置で開口を生成することができる開口スキャナを含む。例えば、開口は、サンプル面と共役なフーリエ面で生成されてもよい。ある場合において、放射線検出器は、異なる位置の開口により変調されたサンプルからの光を受信し、異なる開口位置に対応する複数Ｍ個の輝度画像を取得する。Ｍ個の輝度画像は、周波数領域において合成されて、分解能が向上した複雑なサンプル画像を回復することができる。ある態様において、光学系における光学収差およびずれを、焼き鈍し法により評価および補正してもよい。
【００１８】
ある態様において、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムは、光学配置の中間面（例：フーリエ面）において異なる時間に複数Ｎ個の開口位置で開口を生成することができる開口スキャナを含む。他の態様において、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムは、光学配置の中間面において異なる時間に複数Ｎ個の位置に全体としてシフトされる複数の開口を生成することができる開口スキャナを含む。このような複数の開口は、パターン形式（例：市松模様）であってもランダムであってもよい。
【００１９】
本明細書において、開口は、入射光を光学配置における次の光学素子へと通過させる平面内の領域を指す。ある場合において、当該平面において開口を囲む領域は、入射光を遮断／反射するか、さもなくば、入射光が次の光学素子へと通過するのを防いでもよい。ある態様において、開口は、光学的透明な領域、または、実質的に光学的透明な領域であってもよい。これらの態様において、周囲領域は、入射光を反射または吸収してもよい。例えば、開口は、不透明プレートにおける光透過性領域（例：孔）であってもよい。他の態様において、開口は、入射光を次の光学素子へと反射する反射領域（例：ディスプレイにおける１つ以上の反射画素または１つ以上のマイクロミラー）であってもよい。これらの態様において、周囲領域は、入射光を吸収するか、あるいは、次の光学素子から離れるように入射光を反射してもよい。ある例において、開口は、入射光を次の光学素子へと反射する角度に向けられた１つ以上のマイクロミラーからなってもよい。この例では、周囲領域における１つ以上のマイクロミラーは、次の光学素子から離れるように光を反射する別の角度に向けられていてもよい。ある場合において、開口位置は、開口領域の重心に対応してもよい。
【００２０】
ある態様において、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムは、機械ベース開口スキャナおよび／またはディスプレイベース開口スキャナを含んでもよい。機械ベース開口スキャナは、開口を異なる開口位置に機械的にシフトできる。ある場合において、機械ベース開口スキャナは、開口を有する構造（例：不透明材料のプレートであって、プレートにおける孔等の光透過性領域の形で開口を有する）を並進／回転して開口を中間面における複数の開口位置へシフトできるＸ−Ｙ並進ステージを含む。ディスプレイベース開口スキャナは、例えば、開口および周囲領域をディスプレイに表示することで、異なる位置に開口をデジタル的に生成できる。ディスプレイベース開口スキャナの例には、ＳＬＭディスプレイ上に開口および周囲領域を生成する空間光変調器（ｓｐａｔｉａｌ  ｌｉｇｈｔ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ（ＳＬＭ））が含まれる。ＳＬＭディスプレイは、例えば、ＬＣｏＳ（ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ）ディスプレイまたはデジタルマイクロミラーデバイス（ｄｉｇｉｔａｌ  ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  ｄｅｖｉｃｅ（ＤＭＤ））であってもよい。
【００２１】
本明細書に記載の開口走査フーリエタイコグラフィシステムおよび方法は、１つ以上の技術的利点を提供し得る。システムの利点の１つは、厚いおよび／または非透過性サンプルの撮像に利用可能であることである。システムの他の利点は、発光（例：蛍光、リン光、化学発光 、生物発光等）撮像に適応できることである。
【００２２】
本明細書に記載の開口走査フーリエタイコグラフィシステムは、発光（例：蛍光、リン光、化学発光 、生物発光等）撮像に適応可能である。例えば、システムを、照明光源へと戻る発光の回収に適応させてもよい。
【００２３】
透過照明撮像構成において、光検出器は、サンプルを透過した光に関する光データを取得してもよい。例えば、照明光源は、照明を、光検出器に向けてもよく、ここで、サンプルは、光検出器と照明光源との間に位置する。これらの透過照明撮像構成において、照明光源へと戻るように反射した光または照明光源の方向にサンプルが発した光は、光検出器により受信されなくてもよい。
【００２４】
蛍光撮像およびその他の発光撮像用途において、サンプルにおけるフルオロフォアは、照明光源からの特定波長の励起照明によって励起され、異なる波長（発光（ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ））の光を発する。これらのエミッションは、励起光と比べて弱い信号を持つ傾向があるため、回収効率が重要となり得る。
【００２５】
いくつかの態様において、開口走査フーリエタイコグラフィシステムは、光検出器がサンプルからの発光および／または発光光源へと戻るようにサンプルから反射された光を受信できるように構成されてもよい。これらのシステムは、システム内の次の素子から離れるように励起照明をサンプルへと向ける照明光源を収容可能な光学配置を有する。このようにして、システムを通じた励起照明の伝播が実質的に回避され得る。
【００２６】
いくつかの態様において、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムは、厚いおよび／または不透明サンプルの撮像に利用可能である。これらのシステムにおいて、単一の任意にパターン化されたコヒーレント照明ビームを用いて、任意の方向からサンプルを照明してもよい。これらのシステムでは、各輝度画像と厚い不透明サンプル用の２Ｄサンプルスペクトルの異なる通過帯域との間に、１対１の関係がある。こうして、回復プロセスにより、パニングスペクトル制約を正確に課して、厚いおよび／または不透明サンプルの高分解能（分解能が向上した）複素画像を回復できる。
【００２７】
ＩＩ．タイコグラフィフーリエ撮像における光学伝達関数変調
【００２８】
撮像システムにおいて、サンプルは、光照射野により照明されてもよく、サンプル表面から生じる光学場Ｅ１（ｘ，ｙ）は、一般的にＥ１（ｘ，ｙ）＝Ａ１（ｘ，ｙ）ｅｉφｌ（ｘ，ｙ）として記述されてもよい。タイコグラフィフーリエ撮像システムを用いて、Ｅ１（ｘ，ｙ）を特性化して、サンプルに関する収差のない振幅および位相データセットを決定することができる。ある態様において、タイコグラフィフーリエ撮像システムを用いて、光学場Ｅ１（ｘ，ｙ）の位相および振幅分布を決定して、サンプルが撮像されるにつれて同時にシステムにおける光学収差および／またはずれを補正することができる。
【００２９】
光学場Ｅ１（ｘ，ｙ）を光学系を通じて透過して光学場Ｅ２（ｘ，ｙ）＝Ｏ（Ｅ１（ｘ，ｙ））を生成してもよく、ここで、Ｏ（）は、光学系によって光照射野に対して行われる光学伝達関数を表す。Ｏ（）は、任意の数の異なる演算によって表すことができる。例えば、Ｏ（）は、フーリエ変換として表してもよく（システムが、単レンズであり、サンプルがそのフォーカス面にあり、投射スクリーンが無限遠にある場合）、ユニタリー変換であってもよく（例えば、システムが、完全な４ｆシステムである場合）、あるいは、複合関数であってもよい。光学収差は、光学伝達関数内で表現可能である。例えば、物理的な光学系は、完全なフーリエ変換を行わないかもしれないが、その収差は、それが変換関数を歪ませる方法として数学的に記述することができる。Ｏ（）関数は、任意の数の特性化手段によって完全に特性化可能であってもよい。典型的に、Ｅ２（ｘ，ｙ）は、後続測定の前に、測定されるか、あるいは、追加の光学系に通されてもよい。Ｅ２（ｘ，ｙ）が、光検出器（例：デジタルカメラ）等の手段によって測定されるとする。測定輝度値は、｜Ｅ２（ｘ，ｙ）｜２と表されてもよい。この振幅測定だけでは、逆関数を適用してＥ１（ｘ，ｙ）を得るのは不可能かもしれない。他方、Ｅ２（ｘ，ｙ）の振幅および位相知識がどちらも既知であり関数Ｏ（）が既知であれば、Ｅ２（ｘ，ｙ）の逆Ｏ（）関数をとることによってＥ１（ｘ，ｙ）が得られる。すなわち、Ｅ１（ｘ，ｙ）＝Ｏ−１（Ｅ２（ｘ，ｙ））である。
【００３０】
ある態様において、中間面での変調を伴うフーリエタイコグラフィ撮像システムを用いて、サンプル面における光学場Ｅ１（ｘ，ｙ）の振幅および位相データを決定することができる。ある場合において、変調は、開口スキャナによって実施されてもよい。
【００３１】
図１は、実施形態に係る中間面での光学伝達関数変調を伴うフーリエタイコグラフィ撮像システム１０の構成要素の概略図である。ある例において、光学関数変調は、光学系のサンプル面のフーリエ面等の中間面においてＮ個の異なる位置で開口を生成する開口スキャナで実施されてもよい。ある場合において、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１０は、システム１０の開口数（ＮＡ）によって決まる光学限界でのまたはそれに近い空間分解能で光学場Ｅ１（ｘ，ｙ）の振幅および位相データを決定可能であってもよい。
【００３２】
図１において、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１０は、光学伝達関数ＯＡ（）を有する第１光学系１００と、光学伝達関数ＯＢ（）を有する第２光学系２００とを含む。図１における概略表記された光照射野によると、サンプルからの光学場Ｅ１（ｘ，ｙ）は、第１光学系１００によって受信される。結果として得られる光照射野関数は、Ｅ１Ａ（ｘ，ｙ）＝ＯＡ（Ｅ１（ｘ，ｙ））で与えられる。ある場合において、第１および第２光学系１００、２００の光学伝達関数ＯＡ（）およびＯＢ（）の概算をそれぞれ同時最適化プロシージャにおける初期開始点として用いて、この記載に関してここに参照のために取込むＸｉａｏｚｅ  Ｏｕ，  Ｇｕｏａｎ  Ｚｈｅｎｇ  ａｎｄ  Ｃｈａｎｇｈｕｅｉ  Ｙａｎｇ，  Ｅｍｂｅｄｄｅｄ  ｐｕｐｉｌ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｆｏｒ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｐｔｙｃｈｏｇｒａｐｈｉｃ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，”  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ２２（５），ｐｐ．４９６０−４９７２（２０１４）等に記載のフーリエタイコグラフィ回復アルゴリズムの実行と組み合わせて、より正確な複合光学伝達関数推定値を決定してもよい。
【００３３】
もしこのシステムが中間面での変調を有さなければ、第１光学系１００からの光照射野は、第２光学系２００へ伝搬し、結果としてＥ１ＡＢ（ｘ，ｙ）＝ＯＢ（ＯＡ（Ｅ１（ｘ，ｙ）））の最終光照射野関数となるであろう。最終光照射野の輝度分布Ｉ（ｘ，ｙ）＝｜Ｅ１ＡＢ（ｘ，ｙ）｜２は、検出器面で空間的に測定可能である。この場合、光検出器によって位相情報が測定されていないため（振幅のみ）、測定輝度分布Ｉ（ｘ，ｙ）は、Ｅ１（ｘ，ｙ）またはＥ１Ａ（ｘ，ｙ）を決定するのに十分な情報を提供しない可能性がある。
【００３４】
図１において、光学伝達関数ＯＣ１（）を有する開口関数またはその他の既知の変調関数は、中間面で適用される。この場合、中間面で変調された光照射野は、第２光学系２００へ伝搬し、結果としてＥ１Ａ，ＯＣ１（ｘ，ｙ）＝ＯＣ１（ＯＡ（Ｅ１（ｘ，ｙ）））の最終光照射野関数となる。
【００３５】
開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１０は、フーリエタイコグラフィ法を用いて、Ｅ１（ｘ，ｙ）の振幅および位相データを決定することができる。まず、Ｅ１（ｘ，ｙ）を推測して、Ｅ１ｇｕｅｓｓ（ｘ，ｙ）とする。次に、Ｅ１Ａ（ｘ，ｙ）の中間面に、開口関数またはその他の既知の変調関数を適用する。この開口関数は、ＯＣ１（）と呼ばれる光学伝達関数であってもよく、新たなＥ１Ａ，ＯＣ１（ｘ，ｙ）＝ＯＣ１（ＯＡ（Ｅ１（ｘ，ｙ）））となる。新たなＥ１ＡＢ，ＯＣ１（ｘ，ｙ）＝ＯＢ（ＯＣ１（ＯＡ（Ｅ１（ｘ，  ｙ））））となる。｜Ｅ１ＡＢ，ＯＣ１（ｘ，ｙ）｜２は、検出器面で輝度分布を取得することによって決定される。次に、Ｅ１Ａ，ＯＣ１，ｇｕｅｓｓ（ｘ，ｙ）＝ＯＢ（ＯＣ１（ＯＡ（Ｅ１ｇｕｅｓｓ（ｘ，ｙ））））および｜Ｅ１ＡＢ，ＯＣ１，ｇｕｅｓｓ（ｘ，ｙ）｜２が計算的に決定され、｜Ｅ１ＡＢ，ＯＣ１（ｘ，ｙ）｜２が｜Ｅ１ＡＢ，ＯＣ１，ｇｕｅｓｓ（ｘ，ｙ）｜２と比較される。比較により差が示される場合（すなわち、互いに等しくない場合）、Ｅ１Ａ，ＯＣ１（ｘ，ｙ）および｜Ｅ１ＡＢ，ＯＣ１（ｘ，ｙ）｜２に対する既知の制限に基づいて現Ｅ１ｇｕｅｓｓ（ｘ，ｙ）を修正することにより、新Ｅ１ｇｕｅｓｓ（ｘ，ｙ）が生成される。推測（ｇｕｅｓｓ）を修正する１つの手法を以下に示す。このＥ１ｇｕｅｓｓ（ｘ，ｙ）修正プロセスは、ｎ＝１，２，３…である全てのＯＣｎ（）関数にとって｜Ｅ１ＡＢ，ＯＣｎ（ｘ，ｙ）｜２が｜Ｅ１ＡＢ，ＯＣｎ，ｇｕｅｓｓ（ｘ，ｙ）｜２と等しい（または、誤差関数測定に基づいて実質的に等しい）収束に到達するまで、（例えば、ＯＣ１（），ＯＣ２（），ＯＣ３（）…での）Ｅ１Ａ（ｘ，ｙ）の面の異なる位置に開口または他の既知の関数を適用することによって、反復される。    
【００３６】
ＩＩＩ．開口走査タイコグラフィフーリエ撮像
【００３７】
本明細書に記載のある態様は、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム、装置、および方法に関する。フーリエタイコグラフィ撮像システムは、開口スキャナを含む。ある態様において、開口スキャナは、光学配置の中間面において異なる時間に複数Ｎ個の開口位置で開口を生成することができる。他の態様において、開口スキャナは、光学配置の中間面において異なる時間に複数Ｎ個の位置に全体としてシフトされる複数の開口を生成することができる。中間面は、例えば、サンプル面と共役なフーリエ面であってもよい。フーリエタイコグラフィ撮像システムはさらに、サンプルの複数Ｍ個の輝度画像を取得するよう構成される検出器面での光検出器を含む。
【００３８】
開口スキャナは、中間面において複数Ｎ個の位置で開口（または複数の開口）を生成するよう構成される１つ以上の装置を指し得る。ある場合において、光検出器により取得される複数Ｍ個の輝度画像の各輝度画像は、複数Ｎ個の開口位置の異なる開口位置に対応する。開口位置数Ｎおよび／または輝度画像数Ｍは、１〜数千の範囲であってもよい。ある場合において、Ｎおよび／またはＭは、１〜１０００の範囲であってもよい。他の場合において、Ｎおよび／またはＭは、１〜２０００の範囲であってもよい。他の場合において、Ｎおよび／またはＭは、１〜３０００の範囲であってもよい。ある例において、Ｎ＝Ｍである。    
【００３９】
図面を参照して本明細書に記載する開口は、幅ｌおよび高さｈの寸法の長方形であるが、半径ｒの円形や三角形等の他の形を用いてもよい。また、例において複数Ｎ個の開口位置の異なる位置での開口は一定の形およびサイズを有するものとして記載するが、異なる開口位置での開口のサイズや形は可変であってもよいことを理解されたい。ある場合において、開口領域のサイズは、０．５ｍｍｘ０．５ｍｍである。他の場合において、開口領域のサイズは、５ｍｍｘ５ｍｍである。
【００４０】
複数Ｎ個の開口位置は、１次元アレイ、２次元マトリクス、六角形アレイ等の形で表されてもよい。ある場合において、複数の開口位置は、直線格子（例：正方格子）、曲線格子等の２次元マトリクスであってもよい。複数Ｎ個の開口位置が寸法ｍｘｎの直線格子配置である場合、開口位置は、（Ｘｉ，Ｙｊ）、ｉ＝１〜ｍ、ｊ＝１〜ｎ、および開口位置数Ｎ＝ｍｘｎで表されてもよい。このような直線格子がｎｘｎの正方寸法を持つ場合、開口位置は、（Ｘｉ，Ｙｊ）、ｉ＝１〜ｎ、ｊ＝１〜ｎ、およびＮ＝ｎ２で表されてもよい。
【００４１】
Ｎ個の開口位置は、画像取得プロセスにおいて時間と共に任意の順番（例：逐次、ランダム、行毎、列毎等）で生成することができる。例えば、直線格子を介した逐次の列毎の順番は、Ｍ＝ｍｘｎであるサンプル時間ｔｉ＝１〜Ｍにおいて、（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ１，Ｙ２），（Ｘ１，Ｙ３），．．（Ｘ１，Ｙｎ），（Ｘ２，Ｙ１），（Ｘ１，Ｙ２），（Ｘ１，Ｙ３），．．（Ｘ２，Ｙｎ），．．（Ｘｍ，Ｙｎ）であってもよい。あるいは、ランダム順であってもよい。
【００４２】
ある態様において、複数Ｎ個の開口位置は、２つ以上のその近接開口（すなわち、隣接開口位置の開口）間の重なり領域を含む。ある例において、重なり領域は、開口領域の約７０％であってもよい。他の例において、重なり領域は、開口領域の約７５％であってもよい。他の例において、重なり領域は、開口領域の約２〜９０％であってもよい。ある場合において、近接開口が所定量（例：７０％、７５％等）重なるように特定のｍおよびｎの値を使用してもよい。
【００４３】
いくつかの態様において、機械ベース開口スキャナは、開口を異なる開口位置に機械的にシフトできる。例えば、機械ベース開口スキャナは、開口を有する構造（例：不透明材料のプレートであって、プレートにおける孔等の光透過性領域の形で開口を有する）を物理的に並進および／または回転して異なる開口位置で開口を生成するよう構成されるＸ−Ｙステージを含んでもよい。ある例において、開口を有するプレートをＸ−Ｙステージに取り付けてから、Ｘ−Ｙステージが中間面においてプレートを並進および／または回転して、対応する取得時間に適切な開口位置で開口を配置してもよい。ある場合において、プレートの表面には、表面と直交して開口が配されてもよい。Ｘ−Ｙステージは、表面が中間面に残るようにプレートを並進／回転してもよい。
【００４４】
いくつかの態様において、ディスプレイベース開口スキャナは、異なる開口位置に開口をデジタル的に表示できる。ディスプレイベース開口スキャナの例には、空間光変調器またはＳＬＭがある。「空間光変調器」や「ＳＬＭ」は、そのディスプレイ上に開口を生成することができる装置を指し得る。ある場合において、ＳＬＭは、光の位相φおよび／または振幅を変調するために、ＳＬＭ光源からの電気および／または光信号を用いる。ある場合において、ＳＬＭ光源は、レーザ（例：Ｅｘｃｅｌｓｉｏｒ(R)５３２ＳＭ）等のコリメート光源であってもよい。他の場合において、ＳＬＭ光源は、コリメート光でなくてもよい。例えば、光は、発光ダイオードからの空間フィルタリングされた光（空間コヒーレンス長約１ｍｍ、スペクトル帯域幅２０ｎｍ）、または、レーザ光源からの光（例：５３２ｎｍ準単色レーザ光、多メートルの空間コヒーレンス長）であってもよい。ＳＬＭ光源は、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムの構成要素であってもよく、別の部品であってもよい。特定のＳＬＭは、市販であり得る。ある態様において、ＳＬＭは、複数のＳＬＭ表示素子を有するＳＬＭディスプレイを含む。各ＳＬＭ表示素子は、開口として機能するよう（開口設定）、または、開口を囲む領域として機能するよう（場設定）設定可能である。ある構成において、開口設定のＳＬＭ表示素子は、入射光を通すように透明またはほぼ透明であり、場設定の表示素子は、入射光を遮断／反射またはほぼ遮断／反射してもよい。他の構成において、特定のＳＬＭ表示素子は、反射性であってもよい。これらの場合において、開口設定の表示素子は、（第１）角度に向けられて入射光を光学配置における次の光学素子へと反射し、場設定の表示素子は、異なる（第２）角度に向けられて入射光を次の光学素子から離れるよう反射する。これらの構成において、ＳＬＭディスプレイは、１つ以上のＳＬＭ表示素子を開口設定にしおよび／または周囲の表示素子を場設定にすることで、１つ以上のＳＬＭ表示素子に開口を生成できる。異なる取得時間ｔｉに、異なる組の１つ以上の表示素子を適切な設定にして、対応する開口位置に開口を生成する。ある場合において、ＳＬＭディスプレイは、３０／秒〜１００／秒の範囲のリフレッシュ速度を有してもよい。
【００４５】
ＳＬＭの形で開口スキャナを含む開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムでは、反射性ＬＣｏＳ（ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ）ディスプレイ、ＤＭＤ（ｄｉｇｉｔａｌ  ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  ｄｅｖｉｃｅ）等、異なるタイプのＳＬＭディスプレイを用いてもよい。、反射性ＬＣｏＳ（ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ）ディスプレイは、複数の反射性表示素子を有する反射性ディスプレイである。市販のＬＣｏＳディスプレイの例には、反射性ＨＯＬＯＥＹＥ(R)ＳＬＭ、Ｐｌｕｔｏ、ｐｈａｓｅ  ｏｎｌｙ  ＬＣｏＳ、８μｍ画素サイズ、１０８０ｘ１９２０画素ディスプレイがある。ＤＭＤは、表面上に多数の微小マイクロミラーを有する光半導体チップを指し得る。ある態様において、各マイクロミラーは、個別に角度αに回転される。このようにして、各マイクロミラーを、角度αの開口設定または回転なしの場設定、あるいは、その逆に、遷移させることができる。これらのマイクロミラーは通常、長方形アレイ（寸法ｏｘｐ）に配置されるが、他の配置を用いてもよい。ある態様において、ＤＭＤの各マイクロミラーは、１つ以上の光検出器画素と対応してもよい。ある場合において、開口設定の１つ以上のマイクロミラーは、マイクロミラーの表面と直交する光軸がフーリエ面から角度αを向くように、配されてもよい。この場合の例を、図４および５に示す。
【００４６】
ＳＬＭの形で開口スキャナを含む開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムでは、ＳＬＭディスプレイを、その表示面が中間面（例：フーリエ面）にあるように配置してもよい。ある場合において、ＳＬＭディスプレイは、表示面における表示素子（例：画素）の２次元マトリクスの形であってもよい。２次元マトリクスは、Ｐｉｘ１ｘＰｉｘ２の寸法を有し、ここで、Ｐｉｘ１は第１方向における画素数、Ｐｉｘ２は第１方向と直交する第２方向における画素数である。ある例において、ＳＬＭディスプレイは、１９２０ｘ１０８０画素ディスプレイであり、ここで、Ｐｉｘ１は１９２０、Ｐｉｘ２は１０８０である。ある態様において、ＳＬＭの表示素子を、照明指示にしたがって異なる取得時間に特定の設定になるようにプログラミングする。
【００４７】
開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムによって撮像されているサンプルは、１つ以上の対象物またはある対象物の１つ以上の部分からなってもよい。各対象物は、生物学的実体または無機的実体であってもよい。生物学的実体の例には、全細胞、細胞成分、バクテリアやウイルス等の微生物、タンパク質等の細胞成分、薄組織切片等が含まれる。ある場合において、サンプルは、液体等の媒体内で提供されてもよい。
【００４８】
発光撮像の例において、試薬（例：蛍光／リン光色素）をサンプルと混合して、フルオロフォアで検査中の箇所をマークまたはタグ付けしてもよい。フルオロフォアは、分子が蛍光またはリン光を発するようにさせる分子成分を指し得る。フルオロフォアは、特定波長の励起光からのエネルギーを吸収して、異なる波長でエネルギーを再放出することができる。発光撮像の例において、照明光源は、所定波長（例：青色光）の励起光でサンプルを照明して、サンプルにおけるフルオロフォアを活性化する。これに応じて、フルオロフォアは、異なる波長（例：赤色光）で発光する。
【００４９】
ある態様において、照明光源は、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムによって撮像されているサンプルに照明を提供する。照明光源は、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムの構成要素であってもよく、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムと別であってもよい。場合によって照明光源は光学配置における第１光学素子に照明を向けるよう配置されると記載されているが、照明光源は、照明を第１光学素子から離れる方向に向かうよう他の位置に配されてもよい。例えば、発光撮像の例において、照明光源は、光学配置における第１光学系から離れる方向の励起光を提供してもよい。多くの場合、励起照明は、サンプルからの発光よりも強い信号を有する。励起照明を第１光学系から離れる方向に向けることによって、この構成は、光検出器によるより弱い発光信号の回収を助ける。多くの場合単一の照明光源を記載しているが、複数の照明光源を使用してもよい。
【００５０】
ある場合において、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像技術は、単一の任意にパターン化されたコヒーレント照明ビームにより任意の方向から照明されるサンプルに関する。多くの場合、画像取得プロセス中、照明角度は変わらない。ある場合において、照明は、単色であってもよい。他の場合において、照明光源は、後述のように、異なる取得時間に、異なる波長（例：ＲＧＢに対応付けられた波長）の照明を提供してもよい。照明光源はコヒーレント光源であってもよいが、インコヒーレント光源を用いてもよく、計算補正を適用してもよい。可視光源の例には、ＬＣＤ画素およびＬＥＤディスプレイ画素が含まれる。他の形式の放射を利用する場合、他の放射源を用いてもよい。例えば、Ｘ線放射を利用する実施形態では、放射源は、Ｘ線管と金属ターゲットとを含んでもよい。他の例として、マイクロ波放射を利用する場合、放射源は、真空管を含んでもよい。他の例として、音響放射を利用する場合、放射源は、音響アクチュエータであってもよい。他の例として、テラヘルツ放射を利用する場合、放射源は、ガンダイオードであってもよい。当業者には、その他の放射源も予期可能であろう。
【００５１】
カラー撮像の実施において、照明光源は、それぞれ赤色、緑色、青色に対応する３つの波長l１、l２、l３のＲＧＢ照明を提供してもよい。テラヘルツ放射を利用する場合、照明光源によって与えられる放射周波数は、０．３〜３ＴＨｚの範囲であってもよい。マイクロ波放射を利用する場合、可変照明器によって与えられる放射周波数は、１００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲であってもよい。Ｘ線放射を利用する場合、可変照明器によって与えられる放射波長は、０．０１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲であってもよい。音響放射を利用する場合、可変照明器によって与えられる放射周波数は、１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚの範囲であってもよい。
【００５２】
ある態様において、「放射検出器」、「光検出器」、または「検出器」は、特定のサンプル（取得）時間における検出器面での入射放射の輝度分布を測定／記録することによってサンプルの輝度画像を取得するよう構成されている。画像取得プロセス中、例えば、放射検出器は、Ｍ個のサンプル時間ｔｉ＝１〜Ｍに複数Ｍ個の輝度画像を取得してもよい。可視光放射を測定している場合、放射検出器は、電荷結合素子（ｃｈａｒｇｅ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ（ＣＣＤ））、ＣＭＯＳ画像センサ、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）アレイ、フォトダイオード  （ＰＤ）アレイ、光電子増倍管（ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  ｔｕｂｅ（ＰＭＴ））アレイ等であってもよい。ＴＨｚ放射を検出する場合 、放射検出器は、例えば、撮像ボロメータであってもよい。マイクロ波放射を利用する場合、放射検出器は、例えば、アンテナであってもよい。Ｘ線放射を利用する場合、放射検出器は、例えば、Ｘ線感受性ＣＣＤであってもよい。音響放射を利用する場合、放射検出器は、例えば、圧電変換器アレイであってもよい。これらの放射検出器の例や他の例は、市販されている。ある場合において、放射検出器は、ＲＧＢ検出器等の色検出器であってもよい。他の場合において、放射検出器は、色検出器である必要はない。ある場合において、放射検出器は、単色検出器であってもよい。
【００５３】
「サンプル」または「取得」時間は、光検出器がサンプルの輝度画像を取込む時間を指し得る。本明細書に記載の画像取得プロセス中、放射検出器は、複数Ｍ個の輝度画像（例：Ｍ＝１，２，５，１０，２０，３０，５０，１００，１０００，１００００等）を取込む。輝度画像が取込まれる各サンプル時間ｔｉにおいて、開口は、複数Ｎ個の開口位置のうちの異なる走査位置にある。ある場合において、サンプリングレートは、０．１〜１０００フレーム／秒の範囲であってもよい。
【００５４】
ある態様において、放射検出器は、離散放射線検出素子（例：画素）を有してもよい。放射線検出素子は、任意の適したサイズ（例：１〜１０ミクロン）および任意の適した形状（例：円形、長方形、正方形等）であってもよい。例えば、ＣＭＯＳやＣＣＤ素子は１〜１０ミクロン、ＡＰＤやＰＭＴ光検出素子は１〜４ｍｍの大きさであってもよい。ある例において、放射線検出素子は、５．５ｕｍのサイズの正方画素である。    
【００５５】
放射検出器は、複数Ｍ個の輝度画像を含む画像データを生成する。放射検出器は、サンプル時間やその他の関連データ等の他の画像データを生成してもよい。
【００５６】
フーリエ空間は、波ベクトルｋｘおよびｋｙに及ぶ数学的空間を指し得る。これは、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムによって生成される空間画像の２次元フーリエ変換が存在する座標空間である。フーリエ空間はまた、放射センサによって回収される空間画像の２次元フーリエ変換が存在する、波ベクトルｋｘおよびｋｙに及ぶ数学的空間を指し得る。  
【００５７】
放射検出器によって取込まれる複数Ｍ個の輝度画像それぞれは、フーリエ空間における領域と対応付けられる。フーリエ空間において、近接領域は、重なり領域を共有してもよく、これらは、当該重なり領域にわたって同一フーリエ領域データをサンプルする。フーリエ空間におけるこの重なり領域は、中間面における近接開口の重なり領域と対応する。ある態様において、複数Ｎ個の開口位置は、近接開口位置の重なり領域がフーリエ領域データにおいて所定量の重なり領域を生じるよう設計される。ある場合において、複数の開口位置は、領域のうちの１つの面積の約２％〜９９．５％の範囲でフーリエ領域データにおける重なり領域を生じるよう設計される。他の実施形態において、近接領域間の重なり領域は、領域のうちの１つの面積の６５％〜７５％の範囲の面積を有してもよい。他の実施形態において、近接領域間の重なり領域は、領域のうちの１つの面積の約６５％の面積を有してもよい。
【００５８】
図２Ａおよび２Ｂは、実施形態に係る開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１１の構成要素の概略図である。当該図示において、光学素子は、４ｆ光学配置であり、開口走査は、サンプルのフーリエ面でなされる。開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１１は、第１焦点距離ｆ１（ｆ１＝ｆ）を有する第１光学系（例：レンズ）１０１と、第２焦点距離ｆ２（ｆ１ ＝ｆ）を有する第２光学系（例：レンズ）２０１と、開口スキャナ３００とを含む。開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１１はまた、サンプル面と、検出器面と、サンプル（不図示）のフーリエ面とを含む。画像取得中、撮像対象サンプルは、サンプル面に位置する。図示しないが、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１１はさらに、検出器面に検出器を含む。任意に、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１１はさらに、サンプルを照明する照明光源を含んでもよい。任意に、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１１はさらに、プロセッサと、プロセッサと通信するディスプレイと、コンピュータ可読媒体とを含むコンピュータ装置の１つ以上の構成要素を含んでもよい。
【００５９】
図２Ａおよび２Ｂに示す４ｆ光学配置によると、第１光学系１０１は、第２光学系２０１から、これらの焦点距離を組み合わせた２ｆと等しい距離に位置する。サンプル面は、第１光学系１０１から第１焦点距離の光路距離に位置し、検出器面は、第２光学系２０１から第２焦点距離の光路距離に位置する。サンプルのフーリエ面は、第１光学系１０１から第１焦点距離の距離に位置し、第２光学系２０１から第２焦点距離の光路距離に位置する。  
【００６０】
図示の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１１はまた、開口３１０を含む。開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１１はさらに、フーリエ面において複数の開口位置に開口３１０を提供するよう構成される開口スキャナ３００を含んでもよい。
【００６１】
この図示例において、開口は、異なるサンプリング時間において２つの近接開口位置に示されている。図２Ａは、第１開口位置での開口３１０（ａ）を示す。図２Ｂは、第２開口位置での開口３１０（ｂ）を示す。図２Ｂはまた、２つの隣接開口位置間の重なり領域３１２を表すため、点線で開口３１０（ａ）を示す。
【００６２】
画像取得プロセス中、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムの開口スキャナは、複数Ｎ個の開口位置  （Ｘｉ，Ｙｊ）、ｉ＝１〜ｎ、ｊ＝１〜ｍ、Ｍ＝ｎｘｍで、開口を生成する。複数の開口位置のうちの近接開口位置間には、重なり領域（例：３１２）がある。検出器面で、光検出器は、開口が対応する開口走査位置にある間、輝度画像を取得する。画像取得プロセス中、光検出器は、異なる開口位置に対応する複数Ｍ個の輝度画像を取得する。Ｍ個の輝度画像（すなわち、Ｉｉ，ｊ、ｉ＝１〜 ｏ、ｊ＝１〜ｐ、Ｍ＝ｏｘｐ）は、取得時間ｔｉ，ｊ、ｉ＝１〜ｏ、ｊ＝１〜ｐに、検出器面で取得される。光検出器によって取得される輝度画像数Ｍは、１〜数千輝度画像の範囲であってもよい。画像回復プロセス中、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムは、複数Ｍ個の輝度画像から、サンプル面で、高分解能の複素数体Ｅ１（ｘ，ｙ）を回復する。ある態様において、サンプル面における複素数体を、種々の面（例：サンプル面と平行な面）に伝搬することができる。これらの伝搬画像を用いて、拡張サンプルの３Ｄ画像を形成することができる。
【００６３】
フーリエタイコグラフィ取得および回復プロセスの詳細については、後述の項ＩＶを山椒のこと。フーリエタイコグラフィ回復プロセスの例は、Ｇｕｏａｎ  Ｚｈｅｎｇ，Ｒｏａｒｋｅ  Ｈｏｒｓｔｍｅｙｅｒ，ａｎｄ  Ｃｈａｎｇｈｕｅｉ  Ｙａｎｇ，“Ｗｉｄｅ−ｆｉｅｌｄ，ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｐｔｙｃｈｏｇｒａｐｈｉｃ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，”  Ｎａｔｕｒｅ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  ６，ｐｐ．７３９−７４５（２０１３）にも記載があり、ここにその全体を参照のために取込む。開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムの詳細は、Ｄｏｎｇ，Ｓｉｙｕａｎ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ａｐｅｒｔｕｒｅ−ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｐｔｙｃｈｏｇｒａｐｈｙ  ｆｏｒ  ３Ｄ  ｒｅｆｏｃｕｓｉｎｇ  ａｎｄ  ｓｕｐｅｒ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ  ｉｍａｇｉｎｇ，”  ｐｐ．１３５８６−１３５９９（２０１４年６月２日）に記載があり、ここにその全体を参照のために取込む。
【００６４】
図２Ａおよび２Ｂの開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１１、図３Ａの開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１２、図４の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１４、図５の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１５、図６の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１６、および図７の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１７の構成要素間には類似性があってもよい。
【００６５】
図３Ａは、実施形態に係る開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１２の構成要素の概略図である。開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１２は、第１焦点距離ｆ１（ｆ１＝ｆ）を有する第１光学系（例：レンズ）１０２と、第２焦点距離ｆ２（ｆ１＝ｆ）を有する第２光学系（例：レンズ）２０２と、空間光変調器としての開口スキャナ３０２とを含む。開口スキャナ３０２は、サンプル５０のフーリエ面等の中間面で複数Ｎ個の位置へ開口３１０をシフトするよう構成される。開口スキャナ３０２は空間光変調器として図示されているが、他のタイプの開口スキャナを用いてもよい。図示のシステムは、画像取得プロセス中であって、撮像対象サンプル５０がサンプル面に位置する。開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１２はさらに、検出器面に（アクティブ）検出表面を持つ検出器５００を含む。
【００６６】
開口をシフトする空間光変調器を使用した開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムの詳細は、Ｈｏｒｓｔｍｅｙｅｒ，Ｒｏａｒｋｅ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｏｖｅｒｌａｐｐｅｄ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｃｏｄｉｎｇ  ｆｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ  ｒｅｍｏｖａｌ，”（２０１４）に記載があり、ここにその全体を参照のために取込む。
【００６７】
開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１２はさらに、サンプル５０に照明４１０を提供可能な任意の照明光源４００を含む。照明光源４００は、単一の任意にパターン化されたコヒーレント照明ビームを任意の方向から提供してもよい。透過照明構成において光検出器５００の方へ照明４１０を提供する位置に照明光源４００が示されているが、照明光源４００を他の位置に配して照明４１０を他の方向に提供したり、他の構成要素（例：反射素子）を用いて、第１光学系１０２等、次の光学素子から離れるような他の方向に照明を向けてもよい。また、任意に、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１２はさらに、プロセッサと、プロセッサと通信するディスプレイと、コンピュータ可読媒体とを含むコンピュータ装置の１つ以上の構成要素を含んでもよい。
【００６８】
図３Ａにおいて、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１２は、４ｆ光学配置であり、第１光学系１０２は、第２光学系２０２から、これらの焦点距離を組み合わせた２ｆと等しい距離に位置する。サンプル５０のサンプル面は、第１光学系１０２から第１焦点距離（ｆ１＝ｆ）に位置し、検出器５００の検出器面は、第２光学系２０２から第２焦点距離（ｆ２＝ｆ）の光路距離に位置する。サンプルのフーリエ面は、第１光学系１０２から第１光学系１０２の第１焦点距離（ｆ１＝ｆ）の光路距離に位置し、第２光学系２０２から第２光学系２０２の第２焦点距離（ｆ２＝ｆ）の光路距離に位置する。  
【００６９】
図３Ｂは、本明細書に記載の開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムに実装され得る空間光変調器３０３のＳＬＭディスプレイ３２３の断面概略図である。断面は、ＳＬＭディスプレイ３２３の表示面である。図３Ｂは、表示面のｘ’軸およびｙ’軸を含む。図３Ｂに関連して記載される空間光変調器３０３は、図３Ａに関連して記載される開口スキャナ３０２といくつかの点で類似していてもよい。
【００７０】
図３Ｂにおいて、ＳＬＭディスプレイ３２３は、幅Ｌおよび高さＨの寸法の長方形ディスプレイである。空間光変調器３０３は、そのディスプレイ３２３上で複数Ｎ個の位置に開口３１０をデジタル的に生成するよう構成（プログラミング）されてもよい。この例において、複数Ｎ個の開口位置は、等間隔位置（すなわち、近接開口間が等間隔）を持つ２Ｄ直線格子の形である。他の実施形態において、近接開口位置間の間隔は等しくなくてもよく、および／または、開口は異なる位置で異なるサイズを有してもよい。
【００７１】
図３Ｂにおいて、ディスプレイ３０３は、取得時ｔ１であり、開口３１０（１）（実線で示す）がＳＬＭディスプレイ３２３上に生成される。図示には、近接開口間の空間重なり関係を表すために点線で示す、他の取得時間（例：ｔ２）に表示される近接開口３１０（２）（点線で示す）も含まれる。図示のように、近接開口３１０（１）、３１０（２）は、ｘ’方向に距離ｃの重なり３１２を有する。
【００７２】
ある場合において、重なり３１２は、開口３１０の面積の少なくとも約７０％であってもよい。他の場合において、重なり３１２は、開口３１０の面積の少なくとも約７５％であってもよい。他の場合において、重なり３１２は、開口３１０の面積の２〜９０％であってもよい。ＳＬＭ３０３によって表示指示を用いて、直線格子においてディスプレイ３２３上に開口を生成してもよい。
【００７３】
近接（隣接）開口間の重なり３１２は、ｎ＞Ｌ／ｌの設定と対応してもよい。例えば、ｎ＝９であれば、Ｌ／ｌ＝２．５を設定することで、７５％を超える近接開口間重なりが生じる。両開口３１０（１）および３１０（２）とも、幅ｌおよび高さｈの一定長方形を有する。他の実施形態において、異なる位置に表示される開口３１０は、異なるサイズおよび／または形を有してもよい。
【００７４】
図３Ｂにおいて、ＳＬＭディスプレイ３０３は、正方寸法（ｎｘｎ寸法）の２Ｄ直線格子を持つ。この場合、Ｎ個の開口位置は、表示面において、（Ｘｉ，Ｙｊ）、ｉ＝１〜ｎ、ｊ＝１〜ｎとして表され、開口位置数Ｎ＝ｎ２である。典型的に、開口３１０は、この２Ｄ直線格子の原点から、１＜ｊ＜ｎ２の二次元ベクトルｃｊ＝（ｃｘｊ，ｃｙｊ）によりずらされる。この構成において、光検出器は、検出器面において、異なる開口位置でおよび対応する取得時間にＭ個の異なる輝度画像Ｉｋ，ｌ，（Ｍ＝ｋｘｌ）を取込むことができる。
【００７５】
図４〜６は、図３Ａに関して記載される開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１２の構成要素の異なる構成例を示す概略図である。
【００７６】
図４は、ある態様に係る開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１４の構成要素の概略図である。開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１４は、第１焦点距離ｆ１＝ｆを有する第１光学系（例：レンズ）１０２と、第２焦点距離ｆ２＝ｆを有する第２光学系（例：レンズ）２０２と、検出器５００とを含む。開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１４はさらに、表示表面３２２を有するＤＭＤアレイ３２０と、反射表面３３２を有する１つ以上のミラーのシーケンスとを含む。表面３２２は、表面３２２の面において、ｙ’軸と、ｙ’軸と直交するｘ’軸（不図示）とを含む。図示例では、サンプル面にある撮像対象サンプル５０が示されている。    
【００７７】
開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１４はまた、図示のように画像取得プロセス中にサンプル５０に照明４１０を提供するよう構成される任意の照明光源４００を含む。この図示例において、照明光源４００は、第１光学系１０２から離れる方向に照明４１０が向かうように（例えば、第１光学系１０２とサンプル５０との間に）位置する。この構成において、第１光学系１０２は、サンプル表面から反射された光またはサンプル５０から発せられた光を受信できる。図示の構成は、発光撮像用途に利用することができる。他の例において、照明光源４００は、他の位置であってもよく、および／または、他の方向に照明を向けてもよい。本例では単一の照明光源４００が示されているが、複数の照明光源を用いてもよい。
【００７８】
開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１４は、４ｆ光学配置であり、第１光学系１０２は、第２光学系２０２から、これらの第１および第２焦点距離を組み合わせた２ｆと等しい光路距離に位置する。サンプル面は、第１光学系１０２から第１焦点距離ｆ１＝ｆの光路距離に位置する。この４ｆ配置において、検出器面は、第２光学系２０２から第２焦点距離ｆ２＝ｆの光路長に位置する。ＤＭＤアレイ３２０は、第１光学系１０２から第１焦点距離ｆ１＝ｆの光路長に位置する。１つ以上のミラー３３０のシーケンスは、ＤＭＤアレイ３２０から光路長ｂに位置し、第２光学系２０２から光路長ａに位置する。ＤＭＤアレイ３２０と第２光学系２０２との間の総光路距離は、ａ＋ｂ＝ｆである。サンプルのフーリエ面は、第１光学系１０２から第１光学系１０２の第１焦点距離ｆ１＝ｆの光路長に位置し、第２光学系２０２から総光路長ａ＋ｂ＝ｆに位置する。図４において、撮像対象サンプル５０は、サンプル面に位置し、検出器は、アクティブな検出表面が検出器面にあるように位置し、開口スキャナ３２０は、表示表面３２２がサンプル５０のサンプル面と対応付けられたフーリエ面にあるように位置する。
【００７９】
ＤＭＤアレイ３２０は、サンプル５０のフーリエ面で複数Ｎ個の開口位置に開口をシフトするよう構成される。ＤＭＤアレイ３２０は、複数のマイクロミラーを含む。ＤＭＤアレイ３２０は、ＤＭＤアレイ３２０の対応する１つ以上のマイクロミラーの組を回転することによって表示表面の各開口位置に開口を生成して、１つ以上のミラー３３０に向かう角度αに入射光を反射する。ある場合において、ＤＭＤアレイ３２０における他の周囲マイクロミラーを、１つ以上のミラー３３０から離れる方向に入射光を反射する角度に向ける。
【００８０】
図４において、１つ以上のミラー３３０は、ＤＭＤアレイ３２０により生成された開口によって第２光学系２０２に反射された光を受信するよう構成される。ある態様において、１つ以上のミラー３３０のシーケンスは、ミラー３３０表面へのｙ’軸に沿った異なる位置での光路長の差を補正するよう構成されてもよい。図は、ＤＭＤアレイ３２０の表面３２２とミラー３３０の表面３３２との間の中心光線の光路ｂと、ミラー３３０と第２光学系２０２との間の光路長ａとを示す。第１光学系１０２と第２光学系との間の中心光線の総光路は、ａ＋ｂ＝ｆである。しかし、ミラー３３０のシーケンスとＤＭＤアレイ３２０との間の光路距離は、これら装置の端から端まで同じではない。これらの差を補正するため、１つ以上のミラー３３０のシーケンスは、これらの差を補正する位置および／または向きを有してもよい。例えば、バイナリ格子パタ-ン（すなわち、ブレーズド回折格子）を、ＤＭＤ上に表示される副開口パターンの上に重ね合わせてもよい。あるいは、Ｈｏｒｓｔｍｅｙｅｒ，Ｒｏａｒｋｅ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｏｖｅｒｌａｐｐｅｄ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｃｏｄｉｎｇ  ｆｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ  ｒｅｍｏｖａｌ，”（２０１４）に記載の焼き鈍し補正法と類似のアルゴリズムを用いて、ミラーの任意形状パターンを特定し、最適化補正性能を提供してもよい。当該引例は、本方法の詳細に関して、ここにその全体を参照のために取込む。
【００８１】
図示しないが、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１４はまた、プロセッサと、プロセッサと電気通信するディスプレイと、プロセッサと電気通信するコンピュータ可読媒体とを含むコンピュータ装置の１つ以上の構成要素を含んでもよい。
【００８２】
図５は、ある態様に係る開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１５の構成要素の概略図である。開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１５は、第１焦点距離ｆ１＝ｆを有する第１光学系（例：レンズ）１０２と、第２焦点距離ｆ２＝ｆを有する第２光学系（例：レンズ）２０２と、検出器５００とを含む。開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１４ はさらに、表示表面３２２を有するＤＭＤアレイ３２０としての開口スキャナを含む。表面３２２は、表面３２２の面において、ｙ’軸と、ｙ’軸と直交するｘ’軸（不図示）とを含む。図示例では、サンプル面にある撮像対象サンプル５０が示されている。
【００８３】
開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１５はまた、図示のように画像取得プロセス中サンプル５０に照明４１０を提供するよう構成される任意の照明光源４００を含む。例えば、照明光源４００は、単一の任意にパターン化されたコヒーレント照明ビームを任意の方向から提供してもよい。この図示例において、照明光源４００は、第１光学系１０２から離れる方向に照明４１０が向かうように（例えば、第１光学系１０２とサンプル５０との間に）位置する。この構成において、第１光学系１０２は、サンプル表面から反射された光またはサンプル５０から発せられた光を受信できる。図示の構成は、発光撮像用途に利用することができる。他の例において、照明光源４００は、他の位置であってもよく、および／または、他の方向に照明を向けてもよい。本例では単一の照明光源４００が示されているが、複数の照明光源を用いてもよい。
【００８４】
この構成において、第１光学系１０２とＤＭＤアレイ３２０との間の中心光線光路と、第２光学系２０２とＤＭＤアレイ３２０との間の中心光線光路との間の角度θは、小角度である。この構成において角度θは小さいため、これらの中心光線の光路距離は、平行であり等距離であると概算することができる。ある場合において、角度θは、約１〜１０度であってもよい。他の場合において、角度θは、約１０度であってもよい。他の場合において、角度θは、約１５度であってもよい。
【００８５】
前記概算により、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１４ は、４ｆ光学配置として概算され、第１光学系１０２は、第１および第２焦点距離を組み合わせた２ｆと等しいと概算される第２光学系２０２からの光路距離に位置する。サンプル面は、第１光学系１０２から第１焦点距離ｆ１＝ｆに位置し、検出器面は、第２光学系２０２から第２焦点距離ｆｓ＝ｆに位置する。サンプルのフーリエ面は、第１光学系１０２から第１光学系１０２の第１焦点距離ｆ１＝ｆの光路長に位置し、第２光学系２０２から第２光学系２０２の第２焦点距離ｆｓ＝ｆ前後の光路長に位置する。    
【００８６】
図５において、撮像対象サンプル５０は、サンプル面に位置し、検出器５００は、アクティブ検出表面がおよそ検出器面にあるように位置する。ＤＭＤアレイ３２０は、第１光学系１０２から第１焦点距離ｆ１＝ｆの光路長に位置し、第２光学系２０２から第２焦点距離ｆｓ＝ｆ前後の光路長に位置する。
【００８７】
ＤＭＤアレイ３２０は、サンプル５０のフーリエ面で複数Ｎ個の開口位置に開口をシフトするよう構成される。ＤＭＤアレイ３２０は、複数のマイクロミラーを含む。ＤＭＤアレイ３２０は、ＤＭＤアレイ３２０の対応する１つ以上のマイクロミラーの組を回転することによって表示表面の各開口位置に開口を生成して、第２光学系２０２に向かう角度αに入射光を反射する。ある場合において、ＤＭＤアレイ３２０における他の周囲マイクロミラーを、第２光学系２０２から離れる方向に入射光を反射する角度に向ける。
【００８８】
図示しないが、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１４ はまた、プロセッサと、プロセッサと電気通信するディスプレイと、プロセッサと電気通信するコンピュータ可読媒体とを含むコンピュータ装置の１つ以上の構成要素を含んでもよい。
【００８９】
図６は、ある態様に係る開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１６の構成要素の概略図である。開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１６は、第１焦点距離ｆ１＝ｆを有する第１光学系（例：レンズ）１０２と、第２焦点距離ｆ２＝ｆを有する第２光学系（例：レンズ）２０２と、検出器５００とを含む。開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１６はさらに、開口スキャナを含む。この図示例において、開口スキャナは、ビームスプリッタ３４０と、表示表面３５２を有するＬＣＯＳアレイ３５０と、ミラー３６０とを含む。表面３５２は、ｙ’軸と、ｙ’軸と直交するｘ’軸（不図示）とを含む。  
【００９０】
開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１６はまた、図示のように画像取得プロセス中サンプル５０に照明４１０を提供するよう構成される任意の照明光源４００を含む。この図示例において、照明光源４００は、第１光学系１０２から離れる方向に照明４１０が向かうように（例えば、第１光学系１０２とサンプル５０との間に）位置する。この構成において、第１光学系１０２は、サンプル表面から反射された光またはサンプル５０から発せられた光を受信できる。図示の構成は、発光撮像用途に利用することができる。他の例において、照明光源４００は、他の位置であってもよく、および／または、他の方向に照明を向けてもよい。本例では単一の照明光源４００が示されているが、複数の照明光源を用いてもよい。
【００９１】
開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１６は、４ｆ光学配置であり、第１光学系１０２は、第２光学系２０２から、これらの第１および第２焦点距離を組み合わせた２ｆと等しい光路距離に位置する。サンプル面は、第１光学系１０２から第１焦点距離ｆ１＝ｆの光路距離に位置する。この４ｆ配置において、検出器面は、第２光学系２０２から第２焦点距離ｆ２＝ｆの光路長に位置する。ＬＣＯＳアレイ３５０は、第１光学系１０２から第１焦点距離ｆ１＝ｆの光路長に位置する。
【００９２】
ビームスプリッタ３４０は、第１光学系１０２から受信した第１波長の入射光を通過させ、第１光学系１０２から受信した第２波長の入射光を吸収／反射するよう構成される。例えば、ビームスプリッタ３４０は、蛍光撮像用途において励起照明で照明されるサンプル内のフルオロフォアからの発光と対応付けられる波長の入射光を通過させるよう構成されてもよい。ビームスプリッタ３４０はさらに、ＬＣＯＳアレイ３５０から受信した第２波長の入射光を吸収し、ＬＣＯＳアレイ３５０から受信した第１波長の入射光をミラー３６０へ反射するよう構成される。あるいは、従来のビームスプリッタを、サンプルと検出器との間の光路のどこかに置かれたスペクトルフィルタに加えて使用してもよく、これは、蛍光撮像用途において、フルオロフォアからの発光と対応付けられる波長の光を通過させ、励起照明を吸収することができる。
【００９３】
図６において、ＬＣＯＳアレイ３５０とビームスプリッタ３４０との間の光路距離は、ａである。ビームスプリッタ３４０とミラー３６０との間の光路距離は、ｂである。ミラー３６０と第２光学系２０２との間の光路距離は、ｃである。ＬＣＯＳアレイ３５０と第２光学系２０２との間の総光路距離は、ａ＋ｂ＋ｃ＝ｆである。この光学配置におけるサンプルのフーリエ面は、第１光学系１０２から第１焦点距離ｆ１＝ｆの光路長に位置し、第２光学系２０２から総光路長ａ＋ｂ＋ｃ＝ｆに位置する。図４ において、撮像対象サンプル５０は、サンプル面に位置し、検出器５００は、アクティブな検出表面が検出器面にあるように位置し、ＬＣＯＳアレイ３５０の表示表面３５２は、サンプル面と対応付けられたフーリエ面に位置する。
【００９４】
この構成の利点は、光路が第１および第２光学系１０２、２０２の間で等しい長さであり、光学素子を無理な角度に配置する必要がないことである。
【００９５】
ＬＣＯＳアレイ３５０は、中間面で複数Ｎ個の開口位置に開口をシフトするよう構成されており、この場合、中間面は、サンプル面に対応付けられたフーリエ面である。ＬＣＯＳアレイ３５０は、反射性に設定可能な複数の表示素子からなるディスプレイを含む。ＬＣＯＳアレイ３５０は、入射光をビームスプリッタ３４０に戻るよう反射するために、１つ以上の表示素子を反射性に設定することによって、表示表面で各開口位置に開口を生成する。ある場合において、周囲素子は、実質的に透過性または吸収性に設定される。
【００９６】
中間面に１つの開口を生成するよう構成されるとして開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムを記載したが、代わりに複数の開口を生成してもよい。
【００９７】
図示しないが、開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム１６はまた、プロセッサと、プロセッサと電気通信するディスプレイと、プロセッサと電気通信するコンピュータ可読媒体とを含むコンピュータ装置の１つ以上の構成要素を含んでもよい。
【００９８】
ＩＶ．開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システム
【００９９】
ある態様において、開口走査フーリエタイコグラフィシステムは、第１光学系（例：第１レンズ）と、中間面で複数Ｎ個の開口位置に開口を生成するよう構成される開口スキャナと、第２光学系（例：第２レンズ）と、複数Ｍ個の輝度画像を取込むよう構成される放射検出器とを含む。任意に、開口走査フーリエタイコグラフィシステムはさらに、照明を提供する照明光源および／またはプロセッサを含んでもよい。ある場合において、照明光源は、単一の任意にパターン化されたコヒーレント照明ビームを任意の方向から提供してもよい。ある態様において、第１光学系と、第２光学系と、放射検出器と、サンプルのサンプル面とは、４ｆ光学配置される。画像取得プロセス中、照明光源は、サンプル面に置かれたサンプルを照明する。第１光学系は、サンプルからの光を受信し、開口スキャナは、サンプルのフーリエ面で複数位置に開口を生成する。複数Ｎ個の開口位置のうちの隣接位置での開口間に重なり領域がある。第２光学系は、開口から光を受信する。放射検出器は、異なる位置で開口によって変調された、第２光学系からの光を受信する。放射検出器は、複数Ｎ個の開口位置の異なる開口位置に対応する複数Ｍ個の輝度画像を取込む。回復プロセスにおいて、プロセッサは、フーリエ空間におけるＭ個の重なり輝度画像を反復的につなぎ合わせて、広視野のサンプル複素画像を回復する。ある態様において、開口走査フーリエタイコグラフィシステムはまた、高分解能複素画像をデジタル的に調整して、その光学素子においてデフォーカスを吸収し収差を補正することができる。ある場合において、開口走査フーリエタイコグラフィシステムは、複素画像を他の面にデジタル的に伝搬して、例えば３次元画像を生成することができる。
【０１００】
中間面に１つの開口を生成するよう構成されるとして開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムを記載したが、他の場合では、当該システムは、中間面に複数の開口を生成してもよい。
【０１０１】
本明細書に記載の開口走査フーリエタイコグラフィシステムによって行われる開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、取得プロセスと、回復プロセスと、任意の表示プロセスとを含む。取得プロセスにおいて、開口スキャナは、複数Ｎ個の開口位置に開口を生成し、放射検出器は、Ｍ個のサンプル時間（ｔｉ、ｉ＝１〜Ｍ）に、異なる開口位置に対応する複数Ｍ個の輝度画像を取込む。回復プロセスにおいて、１つ以上の複素画像が、複数Ｍ個の輝度画像を用いて決定される。任意の表示プロセスにおいて、回復した複素画像およびその他の出力が、ディスプレイ上で提供される。ある場合において、Ｍ＝Ｎである。
【０１０２】
図７は、実施形態に係る開口走査フーリエタイコグラフィシステム１７の構成要素の概略図である。開口走査フーリエタイコグラフィシステム１７は、開口走査フーリエタイコグラフィ装置７００と、任意に、コンピュータ装置８００の１つ以上の構成要素とを含む。開口走査フーリエタイコグラフィ装置７００は、サンプル７２０から光を受信するよう構成された第１光学系７３０（例：第１対物レンズ）と、中間面（例：サンプル７２０のフーリエ面）で複数Ｎ個の開口位置に開口を生成するよう構成される開口スキャナ７４０と、開口を通して光を受信する第２光学系７５０（例：第２対物レンズ）と、第２光学系７５０からの入射光に基づいてＭ個の輝度画像を取込む検出器７６０とを含む。
【０１０３】
開口走査フーリエタイコグラフィ装置７００はさらに、サンプル７２０に照明を提供するよう構成される任意の（点線で示される）照明光源７１０を含む。この図示において、サンプル７２０は、点線に示すように、取得プロセスにおいて開口走査フーリエタイコグラフィ装置７００に提供される。他の場合では、サンプル７２０は含まれない。ある場合において、照明光源７１０は、単一のコヒーレント照明ビームを任意の方向から提供してもよい。コンピュータ装置８００は、プロセッサ８１０（例：マイクロプロセッサ）と、プロセッサ８１０と電気通信するコンピュータ可読媒体（ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｒｅａｄａｂｌｅ  ｍｅｄｉｕｍ（ＣＲＭ））８２０と、プロセッサ８１０と電気通信するディスプレイ８３０とを含む。コンピュータ装置８００のプロセッサ８１０はまた、開口走査フーリエタイコグラフィ装置７００の検出器７６０とも電気通信する。ある場合において、プロセッサ８１０はまた、開口スキャナ７４０とも電気通信してもよい。ある場合において、例えば、プロセッサ８１０は、開口スキャナ７４０および光検出器７６０と電気通信して、開口生成を画像取得と同期させてもよい。コンピュータ装置８００は、スマートフォン、ラップトップ、デスクトップ、タブレット等さまざまなな形態をとり得る。コンピュータ装置のさまざまな形態は、当業者には予期可能であろう。
【０１０４】
測定プロセスにおいて、開口スキャナ７４０は、面（例：光学配置のフーリエ面）において、複数Ｎ個の開口位置（Ｘｉ，Ｙｊ）、ｉ＝１〜ｍ、ｊ＝１〜ｎに、開口を生成する。第１光学系７３０は、サンプル７２０の表面から伝搬した入射光を受信する。第２光学系７５０は、開口によって変調された光を受信する。検出器７６０は、第２光学系によって伝搬された光の輝度分布を受信して測定する。検出器７６０は、Ｍ（＝ｏｘｐ）個のサンプル時間ｔｉ＝１〜Ｍに、輝度分布Ｉｉ，ｊ、ｉ＝１〜ｏ、ｊ＝１〜ｐを取込みまたは取得して、サンプル７２０の複数Ｍ個の輝度画像を取込む。ある態様において、Ｍ個の輝度画像はそれぞれ、複数Ｎ個の開口位置の異なる開口位置に対応する。
【０１０５】
ある態様において、本明細書に記載の開口走査フーリエタイコグラフィシステムによって取込まれる全視野輝度画像の１つ以上を、１つ以上のタイル画像に分割してもよい。このような場合、プロセッサは、各タイル毎に個別に高分解能複素画像を構築してから、タイル画像を結合して全視野画像を生成してもよい。この独立してタイル画像を処理する能力によって、並列計算が可能になる。このような態様において、各タイルは、２次元領域によって表されてもよい。極空間座標において、各タイルは、円形領域または楕円形領域であってもよい。直線空間座標において、全視野低分解能画像は、長方形領域においてタイルの２次元マトリクスに分割されてもよい。ある実施形態において、タイルの２次元正方マトリクスの寸法は、放射センサの画素数で表した場合、２５６ｘ２５６マトリクス、６４ｘ６４マトリクス等、２のべき乗であってもよい。
【０１０６】
図７において、プロセッサ８１０は、検出器７６０と電気通信して、Ｍ個の輝度画像と対応する画像データを伴う信号を受信する。画像データは、例えば、輝度分布、関連取得時間等を含んでもよい。回復プロセスにおいて、プロセッサ８１０は、フーリエ空間における複数Ｍ個の輝度画像を反復的につなぎ合わせて、サンプル面においてサンプル７２０の広視野複素画像を回復できる。ある態様において、プロセッサ８１０はまた、複素画像をデジタル的にリフォーカスして、システムにおけるサンプルのデフォーカスおよび／または収差を吸収できる。ある態様において、プロセッサ８１０はまた、複素画像を１つ以上の面に伝搬できる。異なる面におけるこれら伝搬複素画像からの画像データを用いて、３次元画像を生成することが可能である。ある態様において、プロセッサ８１０はまた、異なる照明波長（ＲＧＢ）で複素画像を生成して、複素カラー画像を生成できる。
【０１０７】
プロセッサ８１０は、ＣＲＭ８２０（例：メモリ）と電気通信して、画像データを伴う信号を通信し、ＣＲＭ８２０に記憶またはＣＲＭ８２０から読み出す。プロセッサ８１０は、ディスプレイ８３０と電気通信して画像データや命令を送信し、例えば開口走査フーリエタイコグラフィシステム１７のユーザに対して、サンプルの広視野複素画像や他の出力を表示することができる。本明細書において、開口走査フーリエタイコグラフィシステム１７の構成要素間の電気通信は、有線でも無線でもよい。
【０１０８】
プロセッサ８１０（例：マイクロプロセッサ）はまた、ＣＲＭ８２０に記憶される命令を実行して、開口走査フーリエタイコグラフィシステムの１つ以上の機能を行ってもよい。例えば、プロセッサ８１０は、命令を実行して、開口走査フーリエタイコグラフィ方法の回復プロセスの１つ以上のステップを行ってもよい。他の例において、プロセッサ８１０は、命令を実行して、複数の開口位置に開口を生成してもよい。他の例において、プロセッサ８１０は、ＣＲＭ８２０に記憶される命令を実行して、例えば次のような開口走査フーリエタイコグラフィシステムの１つ以上の機能を行ってもよい：１）複数の輝度画像から画像データを解釈する；２）画像データから高分解能複素画像を生成する；３）ディスプレイ８３０上に開口走査フーリエタイコグラフィ方法による１つ以上の画像や他の出力を表示する。
【０１０９】
ＣＲＭ（例：メモリ）８２０は、開口走査フーリエタイコグラフィシステムの機能の一部を行うための命令を記憶することができる。命令は、プロセッサ８１０や開口走査フーリエタイコグラフィシステムの他の処理構成要素によって実行可能である。ＣＲＭ８２０はまた、（低分解能）輝度および高分解能複素画像や、開口走査フーリエタイコグラフィシステムによって生成された他のデータを記憶することができる。
【０１１０】
開口走査フーリエタイコグラフィシステムはまた、プロセッサ８１０と電気通信してデータ（例：画像データ）を受信して出力データ（例：画像）を開口走査フーリエタイコグラフィシステムのオペレータに提供するディスプレイ８３０を含む。画像ディスプレイ８３０は、カラーディスプレイであっても、白黒ディスプレイであってもよい。また、ディスプレイ８３０は、２次元ディスプレイであっても、３次元ディスプレイであってもよい。ある実施形態において、ディスプレイ８３０は、多重ビュー表示可能であってもよい。
【０１１１】
本開示の範囲を逸脱することなしに、開口走査フーリエタイコグラフィシステム１７や開口走査フーリエタイコグラフィ装置７００に対して、変形、追加、または省略を行ってもよい。また、必要に応じて、開口走査フーリエタイコグラフィシステム１７や開口走査フーリエタイコグラフィ装置７００の構成要素を統合または分割してもよい。例えば、コンピュータ装置８００またはその構成要素を、開口走査フーリエタイコグラフィ装置７００内に一体化してもよい。ある実施形態において、プロセッサ８１０やその他の適したプロセッサは、開口走査フーリエタイコグラフィ装置７００の一部であってもよい。ある場合において、プロセッサ８１０を放射検出器７６０内に一体化して、放射検出器７６０がプロセッサ８１０の機能を果たすようにしてもよい。他の例において、ＣＲＭ８２０および／またはディスプレイ８３０を、場合によって開口走査フーリエタイコグラフィシステム１７から省略してもよい。
【０１１２】
簡略化のために、本明細書における開口走査フーリエタイコグラフィ撮像システムの第１および第２光学系（例：第１および第２レンズ）を、４ｆ光学配置において同一焦点距離ｆを有するものとして記載したが、第１光学系は、第２光学系と異なる焦点距離を有し得る。例えば、第１光学系は、第２光学系の第２焦点距離ｆ２と異なる第１焦点距離ｆ１を有してもよい。この場合、サンプル面は、第１光学系から第１焦点距離ｆ１の距離に位置し、検出器面は、第２光学系から第２焦点距離ｆ２の距離に位置し、フーリエ面は、第１光学系からｆ１の距離および第２光学系からｆ２の距離に位置する。
【０１１３】
本明細書に記載の多くの態様において、開口は、サンプルのフーリエ面で、複数Ｎ個の開口位置に生成することができる。しかし、複合レンズ系の開口面や顕微鏡対物の後焦点面等、サンプルと共役な他の中間面に、開口を生成することも可能である。
【０１１４】
ある態様において、開口走査フーリエタイコグラフィシステムはさらに、サンプル表面にサンプルを受けるレセプタクルを含んでもよい。サンプル表面は、開口走査フーリエタイコグラフィシステムの構成要素の一部であってもよく、他の部品であってもよい。
【０１１５】
ＩＶ．開口走査フーリエタイコグラフィ撮像方法
【０１１６】
ある態様において、開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、取得プロセスと、回復プロセスと、任意の表示プロセスとを含む。取得プロセスにおいて、複数Ｍ個の低分解能輝度画像が取得される。各輝度画像は、開口走査フーリエタイコグラフィシステムの中間面での異なる開口位置に対応する。各輝度画像は、特定の取得時間ｔｉ＝１〜Ｍに検出器面で測定される輝度（振幅）分布に基づく。光検出器は、第２光学系から受信した入射光を測定し、第２光学系は、開口から光を受信する。
【０１１７】
図８、９Ａ，および９Ｂおよび関連する記載において、添え字「ｈ」は、高分解能複素画像を指し、添え字「ｌ」は、低分解能輝度を指し、添え字「ｆ」は、焦点位置を指し、添え字「ｍ」は、測定を指し、添え字「ｓ」は、サンプリングを指す。
【０１１８】
図８は、開口走査フーリエタイコグラフィシステムによって行われる開口走査フーリエタイコグラフィ方法のフローチャートである。開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、取得プロセス（ステップ１１００、１２００、１３００）と、回復プロセス（ステップ１４００、１５００）と、任意の伝搬ステップと、任意の表示プロセス（ステップ１６００）とを含む。
【０１１９】
ステップ１１００で、照明光源は、Ｍ個のサンプル時間ｔｉ＝１…Ｍにおいて、サンプルに照明を提供する。第１光学系は、サンプルから入射光を受信する。ある場合において、照明光源は、異なるサンプル時間に、異なる波長の照明を提供してもよい。例えば、照明光源は、カラー撮像を実施するため、それぞれ赤色、緑色、青色に対応する３つの波長l１、l２、l３のＲＧＢ照明を提供してもよい。発光撮像の例において、照明光源は、サンプル内のフルオロフォアを励起するための波長の照明を提供してもよい。これらの例において、照明光源は、光学配置における次の素子から離れる方向に照明を提供するよう位置および方向づけられてもよい。例えば、照明光源は、第１光学系から離れる方向に向けられてもよい。
【０１２０】
ステップ１２００で、開口スキャナは、光学配置の中間（例：フーリエ）面において、複数Ｎ個の開口位置（Ｘｉ，Ｙｊ）、ｉ＝１〜ｍ、ｊ＝１〜ｎに開口（または複数の開口）を生成する。開口スキャナは、開口位置の順番を定義する命令に基づいて、異なる位置に開口を生成してもよい。これらの命令は、プロセッサによって実施され、コンピュータ可読媒体に記憶されてもよい。ｘおよびｙ方向における波数ベクトルは、ｋｘｉおよび  ｋｙｉと表される。第２光学系は、開口によって変調された入射光を受信してもよい。ある場合において、複数の開口位置における近接開口は、重なり領域を有する。
【０１２１】
検出器は、開口から入射光を受信した第２光学系によって伝搬された光の輝度分布を受信して測定する。ステップ１３００で、放射検出器は、Ｍ個のサンプル時間ｔｉ＝１〜Ｍそれぞれにおいてスナップショット輝度分布測定を取得して、Ｍ＝ｏｘｐである複数Ｍ個の輝度画像Ｉｉ，ｊ、ｉ＝１〜ｏ、ｊ＝１〜ｐを取得する。光検出器によって取得されたＭ個の輝度画像それぞれは、複数Ｎ個の開口位置の異なる開口位置に対応する。光検出器によって取得されたＭ個の輝度画像それぞれはまた、フーリエ空間における領域と対応付けられる。ある態様において、フーリエ空間における近接領域間には、重なり領域がある。ある実施形態において、近接領域間の重なり領域は、領域のうちの１つの面積の２％〜９９．５％である。他の実施形態において、近接領域間の重なり領域は、領域のうちの１つの面積の６５％〜７５％である。ある実施形態において、近接領域間の重なり領域は、領域のうちの１つの面積の約６５％である。
【０１２２】
ステップ１４００および１５００で、サンプルの高分解能（すなわち、分解能が向上した）複素画像が、ステップ１３００で取込まれた複数Ｍ個の輝度分布測定  Ｉｉ，ｊ、ｉ＝１〜ｏ、ｊ＝１に基づいて回復される。
【０１２３】
ステップ１４００で、高分解能複素画像
2016534389.tif 000003
が空間領域において初期化され、フーリエ変換が初期値に適用されて初期化フーリエ変換画像
2016534389.tif 000004
が得られる。初期化高分解能解は、初期推測であってもよい。ある場合において、初期推測は、（輝度および位相の）ランダム複素マトリクスとして決定されてもよい。他の場合において、初期推測は、ランダム位相を伴う輝度分布測定の補間として決定されてもよい。初期推測の例は、サンプル領域の任意の輝度画像から補間されるＩｈおよび
2016534389.tif 000005
である。初期推測の他の例は、一定値である。初期推測のフーリエ変換は、フーリエ領域における広域スペクトルであり得る。
【０１２４】
ステップ１５００で、サンプル領域の高分解能画像は、プロセッサを用いてフーリエ空間において輝度測定値を反復的に結合することによって、計算的に構築される。プロセッサは、開口走査フーリエタイコグラフィシステムの一部であってもよく、別の部品であってもよい。
【０１２５】
任意のステップ１６００で、ディスプレイは、プロセッサから高分解能複素画像データおよび／または他のデータ等の画像データを受信し、ディスプレイ上にデータを表示してもよい。
【０１２６】
開口走査フーリエタイコグラフィシステムは、位相情報を直接測定しないかもしれないが、開口走査フーリエタイコグラフィシステムは、回復プロセスにおいてこのデータを決定してもよい。位相データを用いて、サンプルの複素画像を生成することができる。また、開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、収差補正のために位相情報を利用し得る。例えば、開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、反復画像回復プロセスにおいて、位相マップをコヒーレント光学伝達関数に導入して、瞳面での収差を補償する。画像回復プロセスの例については、次項で図９Ａおよび９Ｂを参照して説明する。
【０１２７】
Ａ）デジタルリフォーカスおよび波面補正
【０１２８】
撮像対象サンプルが光照射野により照明される状況を考える。サンプル表面を出る光透過は、振幅および位相の空間的変動を含む。従来の明視野顕微鏡では、この光照射野は回収されてリフォーカスされ、画像面にサンプル画像を形成する。従来の光センサおよび人間の眼は、振幅（輝度）変動のみを検出することができ、位相変動は検出できない。
【０１２９】
画像面における振幅および位相変動を回収してこのデータをサンプル表面を出る光透過につなげることができる撮像プラットフォームには、利点がある。例えば、この振幅および位相データの組を用いて、計算的リフォーカスを行うことができ、これにより、サンプル表面下の任意の面での撮像が可能になる。他の例として、この振幅および位相データの組を用いて、光学撮像システムにおける光学収差を補正することができる。光学収差は、物理的制約を呈し、これによって、撮像システムが、一般の光学原理が求める理論分解能で動作できなくなる可能性がある。例えば、径１ｃｍ超の視野および約０．４の開口数（ＮＡ）を持つ５０ｍｍレンズカメラ（例：ニコンのＮｉｋｋｏｒ  ５０ｍｍ  ｆ／１．２）は、理論上、サブミクロンの光学分解能での撮像が可能であるべきだが、光学収差により、１０ミクロン台の分解能に制限される。
【０１３０】
図９Ａは、サブステップの例を示すフローチャートである。サブステップのうちの１つ以上は、図８の開口走査フーリエタイコグラフィ方法のステップ１５００に含まれ得る。これらのステップのうちの１つ以上は、開口走査フーリエタイコグラフィシステムのプロセッサ（例：プロセッサ８１０）によって行われてもよい。図示のフローチャートは、任意のデジタル波面補正ステップ１６０５および１６４５を含む。ステップ１６０５は、瞳孔関数
2016534389.tif 000006
の乗算で、実際のサンプルプロファイルと取込まれた輝度データ（収差を含み得る）との間の連結を提供する。ステップ１６４５は、当該連結を反転して、サンプルの収差なし再構築複素画像を決定する。
【０１３１】
サンプルデフォーカスは、デフォーカス位相因子を瞳面（すなわち、デフォーカス収差）に導入することによって、実施可能である：
【数１】
2016534389.tif 000007
（式４）
ここで、ｋｘおよびｋｙは瞳面での波数、ｚ０はデフォーカス距離、およびＮＡは光学素子（例：第１光学系および／または第２光学系）の開口数である。
【０１３２】
ステップ１６０５で、フーリエ領域において、初期複素高分解能フーリエ変換画像
2016534389.tif 000008
に、位相因子
2016534389.tif 000009
またはｅｘｐ（ｉφ（ｋｘ，ｋｙ））を乗じる。
【０１３３】
ステップ１６１０で、フーリエ領域における高分解能画像
2016534389.tif 000010
のローパスフィルタリングを行って、波数ベクトル（ｋｘｉ，ｋｙｉ）に対応付けられた開口位置の低分解能輝度画像
2016534389.tif 000011
または
2016534389.tif 000012
ｅｘｐ（ｉφｌ）を生成する。高分解能画像のフーリエ変換は、
2016534389.tif 000013
であり、特定の開口位置の低分解能輝度画像のフーリエ変換は、
2016534389.tif 000014
である。フーリエ領域において、開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、高分解能画像
2016534389.tif 000015
のスペクトル
2016534389.tif 000016
からローパス領域をフィルタリングする。ある場合において、このローパス領域は、光学系（例：第１光学系および／または第２光学系）のコヒーレント光学伝達関数によって与えられる、半径ＮＡ＊ｋ０の円形開口であってもよく、ここで、ｋ０は２π／λ（真空中の波数）と等しい。フーリエ空間において、ローパス領域の位置は、空間領域での特定の開口位置に対応する。
【０１３４】
ステップ１６３０で、焦点面での輝度画像
2016534389.tif 000017
の計算振幅成分
2016534389.tif 000018
を、開口走査フーリエタイコグラフィシステムの光検出器によって測定された輝度測定値
2016534389.tif 000019
の平方根で置き換える。これにより、更新低分解能ターゲット
2016534389.tif 000020
が形成される。
【０１３５】
ステップ１６４５で、フーリエ領域において、更新低分解能ターゲット
2016534389.tif 000021
に、逆位相因子
2016534389.tif 000022
またはｅｘｐ（−１ｉφ（ｋｘ，ｋｙ））を乗じる。
ステップ１６５０で、サンプル面に伝搬された更新ターゲット画像
2016534389.tif 000023
にフーリエ変換を適用し、このデータを、対応 入射波数ベクトル（ｋｘｉ，ｋｙｉ）に対応するフーリエ空間での高分解能解
2016534389.tif 000024
の対応領域において更新する。
【０１３６】
ステップ１６６０で、ステップ１６０５〜１６５０がＮ個の開口位置全てに対して完了したかを判断する。もしステップ１６０５〜１６５０がＮ個の開口位置全てに対して完了していなければ、次の開口位置に対してステップ１６０５〜１６５０を繰り返す。
【０１３７】
多くの実施形態において、各開口位置毎に反復的に更新されるフーリエ空間内の近接領域は、互いに重なり合う。更新された重なり領域間の重なり部分において、開口走査フーリエタイコグラフィシステムは、同じフーリエ空間に多重サンプリングを有する。開口位置は、重なり領域の面積を決定する。ある実施形態において、近接領域間の重なり領域は、近接領域のうちの１つの面積の２％〜９９．５％の面積を有してもよい。他の実施形態において、近接領域間の重なり領域は、近接領域のうちの１つの面積の６５％〜７５％の面積を有してもよい。他の実施形態において、近接領域間の重なり領域は、近接領域のうちの１つの面積の約６５％の面積を有してもよい。ある実施形態において、各重なり領域は、同一の面積を有する。
【０１３８】
ステップ１６７０で、高分解能画像のための解が収束したかを判断する。例えば、高分解能複素画像が自己無どう着解である場合、収束を決定してもよい。ある場合において、前反復または初期推測の前高分解能複素画像を現高分解能解と比較し、差が特定値未満である場合、解は自己無どう着解へ収束したとしてもよい。解が収束していない場合、ステップ１６０５〜１６７０を繰り返す。ある実施形態において、ステップ１６０５〜１６７０を一回繰り返す。他の実施形態において、ステップ１６０５〜１６７０を二回以上繰り返す。解が収束した場合、フーリエ空間における収束解を空間領域に変換して、高分解能画像
2016534389.tif 000025
を回復する。ステップ１５７０で解が収束したと判断すると、当該方法は、任意のステップ１６００に進んでもよく、終了してもよく、あるいは、追加のデフォーカスまたは収差補正ステップ等の他の任意の付加的ステップを行ってもよい。
【０１３９】
デフォーカス距離が既知である場合、開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、式４からのオートフォーカス指数の計算に基づいて、「ｚ」パラメータを異なる値にデジタル的に調整できる。そして、開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、対応する画像を構築し、最も鮮明な画像を選択できる。この方式を拡張して、タイルサンプルを撮像することも可能である。この場合、開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、「ｚ」パラメータをデジタル的に調整して、全体画像の各タイル領域の明瞭度を達成し、焦点領域を結合して全視野の完全焦点画像を形成することができる。  
【０１４０】
他の実施形態において、採用された光学系を因子が正しくモデル化する限り、代替デジタル乗法位相因子を乗算ステップ１６０５および１６４５に含めて、さまざまな収差を補正してもよい。
【０１４１】
従来の高ＮＡ顕微鏡の限界は、限定された被写界深度である。一例として、０．４ＮＡの２０Ｘ対物レンズを有する従来の顕微鏡の被写界深度は、約５μｍである。従来の顕微鏡では、限定された被写界深度のため、サンプルが焦点面から離れるにつれて分解能が劣化する。従来の顕微鏡を用いて最適な分解能を得るには、典型的に、オペレータは、ステージを動かしてサンプルを機械的に焦点に戻す必要がある。この点において、従来の顕微鏡では、サンプルをサブミクロン精度で焦点位置に合わせるために、正確な機械的ステージを要する。
【０１４２】
ある実施形態において、開口走査フーリエタイコグラフィシステムは、サンプルを機械的にではなくデジタル的にリフォーカス可能な開口走査フーリエタイコグラフィ方法を実施する。このような場合、開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、回復プロセスにおいて、焦点外サンプルを計算的にリフォーカスする。デジタルリフォーカスにより、開口走査フーリエタイコグラフィシステムは、その焦点深度を、光学素子の物理的制約を超えて拡張することができる。
【０１４３】
開口走査フーリエタイコグラフィシステムの動作中、サンプルのｚ位置は、事前に知られていなくてもよい。ある態様において、開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、サンプルのｚ位置を決定してこのｚ位置をデジタルリフォーカスに用いるデジタルオートフォーカスステップを含んでもよい。例えば、図８の開口走査フーリエタイコグラフィ方法はさらに、ステップ１５２０の間またはその前に、サンプルのｚ位置を計算するステップを含んでもよい。開口走査フーリエタイコグラフィシステムは、プロセッサによりデジタルオートフォーカスを行って、計算されたサンプルのｚ位置を用いて図８のステップ１５２０および１５４０を実行してもよい。サンプルのｚ位置を計算するために、開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、オートフォーカス指数パラメータを決定する。オートフォーカス指数は、以下の式により定義することができる：
【数２】
2016534389.tif 000026
ここで、
2016534389.tif 000027
は、ローパスフィルタリングからの振幅画像であり、
2016534389.tif 000028
は、実際の輝度測定値である。
【０１４４】
式２における総和は、全ての開口位置に対するものである。開口走査フーリエタイコグラフィ方法がサンプルの推定ｚ位置を計算した後、開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、推定ｚ位置をデジタル的にリフォーカスできる。ある場合において、高分解能画像の回復解は、正確なｚ位置を用いると、より早く収束することが分かっている。
【０１４５】
Ｂ）他の回復プロセス例
【０１４６】
図９Ｂは、図８のステップ１５００のサブステップの他の例を示すフローチャートである。この場合、ステップ１５００は、ステップ１５１０、１５３０、１５５０、１５６０、１５７０、１５８０、および１５９０を含む。ステップ１５００は、任意に、ステップ１５２０および１５４０を含んでもよい。任意のステップ１５２０および１５４０は、サンプルが、ｚ０の量、焦点外である場合に、行われてもよい。図９Ｂのサブステップの１つ以上は、プロセッサによって行われ得る。
【０１４７】
ステップ１５１０で、フーリエ領域における高分解能画像
2016534389.tif 000029
のローパスフィルタリングを行って、波数ベクトル（ｋｘｉ，ｋｙｉ）と対応付けられた特定の開口位置の低分解能画像
2016534389.tif 000030
を生成する。高分解能画像のフーリエ変換は、
2016534389.tif 000031
であり、特定の開口位置の低分解能画像のフーリエ変換は、
2016534389.tif 000032
である。フーリエ領域において、開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、高分解能画像
2016534389.tif 000033
のスペクトル
2016534389.tif 000034
からローパス領域をフィルタリングする。光学素子が対物レンズの形態である場合、当該領域は、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、半径ＮＡ＊ｋ０の円形開口であってもよく、ここで、ｋ０は２π／λ（真空中の波数）と等しい。フーリエ空間において、ローパス領域の位置は、開口位置と対応する。当該領域は、
2016534389.tif 000035
のフーリエ領域において位置  （−ｋｘｉ，−ｋｙｉ）を中心にしてもよい。
【０１４８】
任意のステップ１５２０で、低分解能画像
2016534389.tif 000036
を、フーリエ領域において、光学素子のｚ＝０の焦点面に伝搬して、焦点位置での低分解能画像
2016534389.tif 000037
を決定する。ある実施形態において、ステップ１５２０は、低分解能画像
2016534389.tif 000038
をフーリエ変換し、フーリエ領域において位相因子を乗じ、逆フーリエ変換を行って
2016534389.tif 000039
を得ることによって、行うことができる。他の実施形態において、ステップ１５２０は、デフォーカスのための点広がり関数を伴う、低分解能画像
2016534389.tif 000040
のコンボリューションと数学的に等価の演算によって、行うことができる。他の実施形態において、ステップ１５２０は、
2016534389.tif 000041
を生成するために逆フーリエ変換を行う前にフーリエ領域における位相因子を
2016534389.tif 000042
に乗じることによって、ステップ１５１０の任意のサブステップとして行うことができる。任意のステップ１５２０は、サンプルが光学素子の焦点面（ｚ＝０）に位置する場合は、含まれなくてよい。  
【０１４９】
ステップ１５３０で、焦点面での低分解能画像
2016534389.tif 000043
の計算された振幅成分
2016534389.tif 000044
を、開口走査フーリエタイコグラフィシステムの放射検出器によって測定された低分解能輝度測定値
2016534389.tif 000045
で置き換える。これにより、更新低分解能ターゲット
2016534389.tif 000046
が形成される。
【０１５０】
任意のステップ１５４０で、更新低分解能画像
2016534389.tif 000047
を、サンプル面  （ｚ＝ｚ０）に逆方向伝搬して、
2016534389.tif 000048
を決定してもよい。任意のステップ１５４０は、サンプルが光学素子の焦点面に位置する場合、すなわち、ｚ０＝０であれば、含まれなくてよい。ある場合において、ステップ１５４０は、更新低分解能画像
2016534389.tif 000049
のフーリエ変換を行い、フーリエ空間において位相因子を乗じ、その後逆フーリエ変換することによって、行うことができる。他の場合において、ステップ１５４０は、デフォーカスのための点広がり関数を伴う、更新低分解能画像
2016534389.tif 000050
のコンボリューションによって、行うことができる。他の場合において、ステップ１５４０は、更新ターゲット画像にフーリエ変換を行った後に位相因子を乗じることによって、ステップ１５５０のサブステップとして行うことができる。
【０１５１】
ステップ１５５０で、サンプル面に伝搬された更新ターゲット画像
2016534389.tif 000051
にフーリエ変換を適用し、このデータを、対応 入射波数ベクトル（ｋｘｉ，ｋｙｉ）および開口位置に対応するフーリエ空間での高分解能解
2016534389.tif 000052
の対応領域において更新する。
【０１５２】
ステップ１５６０で、ステップ１５１０〜１５６０がＮ個の開口位置全てに対して完了したかを判断する。もしステップ１５１０〜１５６０がＮ個の開口位置全てに対して完了していなければ、次の開口位置に対してステップ１５１０〜１５６０を繰り返す。
【０１５３】
多くの実施形態において、各開口位置毎に反復的に更新されるフーリエ空間内の近接領域は、互いに重なり合う。更新された重なり領域間の重なり部分において、開口走査フーリエタイコグラフィシステムは、同じフーリエ空間に多重サンプリングを有する。開口位置は、重なり領域の面積を決定する。ある実施形態において、近接領域間の重なり領域は、近接領域のうちの１つの面積の２％〜９９．５％の面積を有してもよい。他の実施形態において、近接領域間の重なり領域は、近接領域のうちの１つの面積の６５％〜７５％の面積を有してもよい。他の実施形態において、近接領域間の重なり領域は、近接領域のうちの１つの面積の約６５％の面積を有してもよい。ある実施形態において、各重なり領域は、同一の面積を有する。
【０１５４】
ステップ１５７０で、高分解能画像のための解が収束したかを判断する。例えば、高分解能複素画像が自己無どう着解である場合、収束を決定してもよい。ある場合において、前反復または初期推測の前高分解能複素画像を現高分解能解と比較し、差が特定値未満である場合、解は自己無どう着解へ収束したとしてもよい。解が収束していない場合、ステップ１５１０〜１５７０を繰り返す。ある実施形態において、ステップ１５１０〜１５６０を一回繰り返す。他の実施形態において、ステップ１５１０〜１５６０を二回以上繰り返す。解が収束した場合、プロセッサは、フーリエ空間における収束解を空間領域に変換して、高分解能画像
2016534389.tif 000053
を回復する。ステップ１５７０で解が収束したとプロセッサが判断すると、当該プロセスは、任意のステップ１６００に進んでもよく、終了してもよく、あるいは、追加のデフォーカスまたは収差補正ステップ等の他の任意の付加的ステップを行ってもよい。
【０１５５】
Ｃ）タイル撮像
【０１５６】
ある実施形態において、開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、タイル撮像プロセスを含んでもよい。タイル撮像プロセスは、取込んだ輝度画像を複数の輝度タイル画像に分割し、タイルそれぞれから独立して高分解能画像を取得し、高分解能タイル画像を結合して全視野高分解能画像を生成する。ある場合において、高分解能タイル画像を、画像融合プロセスで結合してもよい。画像融合プロセスの例として、αブレンディングがあり、これは、１９９９年４月７日に出願されたＰＣＴ公開公報ＷＯ１９９９０５３４６９、発明の名称“Ａ  ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ  ｂｌｅｎｄｉｎｇ  ｕｓｉｎｇ  ａｎ  ｏｖｅｒ  ｓａｍｐｌｅｄ  ｂｕｆｆｅｒ”に記載があり、この例に関して、ここに参照のためにその全体を取込む。タイルの高分解能画像は個々に取得され得るため、開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、並列計算を可能にし、計算時間やメモリ要件を低減し得る。また、各光素子からの光を、各タイル毎の平面波として正確に処理し得る。各タイルの入射波数ベクトルは、
【数３】
2016534389.tif 000054
（式１）
として表すことができる。ここで、（ｘｃ，ｙｃ）は、全視野輝度画像の各タイルの中心位置、（ｘｉ，ｙｉ）は、第ｉ光素子の位置、および、ｈは、照明器とサンプルとの間の距離である。さらに、この開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、場合によって、各タイルに、特定の収差補正瞳孔関数を割り当てることができる。
【０１５７】
図１０は、ある態様に係るタイル撮像を伴う開口走査フーリエタイコグラフィ方法のフローチャートである。この開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、開口走査フーリエタイコグラフィシステムによって行うことができる。並列処理能力を活用するため、方法を行うべく使用される開口走査フーリエタイコグラフィシステムは、ＧＰＵユニットや多重コア（独立したＣＰＵ）を有するプロセッサ等、並列処理可能なプロセッサを含む。本例において、開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、測定プロセス（ステップ１１０１、１２０１、１３０１）と、回復プロセス（ステップ１３５１、２４０１（ｉ−Ｍ）、２５０１（ｉ−Ｍ）、２５９１）と、任意の表示プロセス（ステップ１６０１）とを含む。測定プロセス（ステップ１１０１、１２０１、１３０１）と表示プロセス（ステップ１６００）とは、図８に示すステップと類似する。
【０１５８】
ステップ１３５１で、プロセッサは、全視野を、タイルの２次元マトリクス等の複数のタイルに分割する。タイルの２次元正方マトリクスの寸法は、２５６ｘ２５６マトリクス、６４ｘ６４マトリクス等、２のべき乗であってもよい。ある例において、プロセッサは、５，２８０ｘ４，３８０画素の全視野を、１５０ｘ１５０画素の領域を有するタイルに分割してもよい。
【０１５９】
次に、プロセッサは、並列計算により、各タイル（１〜Ｍ）個別に、空間領域において高分解能画像
2016534389.tif 000055
を初期化する（ステップ２４００（１）…ステップ２４００（Ｍ））。初期推測に、フーリエ変換を適用する。ある場合において、初期推測は、（輝度および位相の）ランダム複素マトリクスとして決定されてもよい。他の場合において、初期推測は、ランダム位相を伴う輝度測定の補間として決定されてもよい。初期推測の例は、サンプル領域の任意の輝度画像のＩｈｒおよび
2016534389.tif 000056
である。初期推測の他の例は、一定値である。初期推測のフーリエ変換は、フーリエ領域における広域スペクトルであり得る。
【０１６０】
ステップ２５０１（１）…ステップ２５０１（Ｍ）で、プロセッサは、並列計算により、各タイル（１〜Ｍ）個別に、高分解能画像を計算的に構築する。プロセッサは、フーリエ空間において輝度画像を反復的に結合することで、各タイルの高分解能画像を計算的に構築する。ステップ１５２１および１５４１は、サンプルが焦点外の場合、含まれてもよい。
【０１６１】
ステップ２５９１において、プロセッサは、高分解能タイル画像を結合して、全視野高分解能画像を得る。ある場合において、タイル画像の結合は、αブレンディング等の画像融合プロセスを含む。
【０１６２】
カラー撮像能力は、病理学および組織学において極めて重要である。ある実施形態において、カラー撮像可能な開口走査フーリエタイコグラフィシステム１０は、赤色、緑色、および青色照明を提供することができる照明光源を含む。開口走査フーリエタイコグラフィ方法は、赤色、緑色、および青色ＬＥＤ照明からの高分解能画像結果をそれぞれ対応する色チャネルに結合して、最終高分解能カラー画像を形成する。赤色、緑色、および青色に対応して３つの画像が生成され、結合されて高分解能カラー画像を形成する。
【０１６３】
ＶＩ．サブシステム
【０１６４】
図１１は、本明細書に記載の開口走査フーリエタイコグラフィシステムに含まれ得るサブシステムのブロック図である。例えば、開口走査フーリエタイコグラフィシステムは、プロセッサを含んでもよい。プロセッサは、場合によって、開口走査フーリエタイコグラフィシステムの構成要素であってもよい。プロセッサは、場合によって、放射検出器の構成要素であってもよい。
【０１６５】
図に示した種々の構成要素は、本明細書に記載の機能を促進するために、サブシステムの１つ以上を用いて動作してもよい。図における構成要素はいずれも、本明細書に記載の機能を促進するために、任意の適した数のサブシステムを用いてもよい。このようなサブシステムおよび／または構成要素の例を、図１１に示す。図１１に示すサブシステムは、システムバス２４２５を介して相互接続される。プリンタ２４３０、キーボード２４３２、固定ディスク２４３４（またはコンピュータ可読媒体を含む他のメモリ）、ディスプレイアダプタ２４３８に連結されたディスプレイ８３０他等、付加的なサブシステムが図示されている。周辺装置や入出力（Ｉ／Ｏ）装置は、Ｉ／Ｏコントローラ２４４０に連結し、シリアルポート２４４２等、任意の数の周知手段によって接続され得る。例えば、シリアルポート２４４２または外部インターフェース２４４４を用いて、コンピュータ装置２００を、インターネット等の広域ネットワークや、マウス入力装置や、スキャナに接続することができる。システムバス２４２５を介した相互接続によって、プロセッサは、各サブシステムと通信して、サブシステム間の情報交換と共に、システムメモリ２４４６や固定ディスク２４３４からの命令の実行を制御できる。システムメモリ２４４６および／または固定ディスク２４３４は、場合によって、ＣＲＭ２２０を組み入れてもよい。これらの要素はいずれも、前述の特徴に存在し得る。
【０１６６】
ある実施形態において、開口走査フーリエタイコグラフィシステムのプリンタ２４３０やディスプレイ８３０等の出力装置は、種々の形態のデータを出力可能である。例えば、開口走査フーリエタイコグラフィシステムは、２Ｄカラー／単色画像（輝度および／または位相）や、これらの画像に対応付けられたデータや、開口走査フーリエタイコグラフィシステムによって行われた分析に対応付けられた他のデータを出力することができる。
【０１６７】
本開示の範囲を逸脱することなしに、上述した実施形態のいずれにも、変形、追加、または省略を行うことができる。本開示の範囲を逸脱することなしに、上述した実施形態のいずれも、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、本開示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、任意の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。本明細書に提供する開示及び教示に基づいて、当業者は、ハードウェアおよびハードウェアとソフトウェアとの組合せを用いて本発明を実現するための他のやり方および／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、任意の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、Ｊａｖａ、Ｃ＋＋、Ｐｅｒｌ等である。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（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ハードドライブやフロッピーディスク等の磁気媒体、あるいはＣＤ−ＲＯＭ等の光媒体である。こうしたＣＲＭはいずれも、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、システムまたはネットワーク内の異なる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る。
【０１７０】
以上に開示した実施形態は、理解を促進するためにある程度詳細に説明してきたが、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ろう。
【０１７１】
本開示の範囲を逸脱することなしに、任意の実施形態からの１つ以上の特徴を、他の実施形態の１つ以上の特徴と組み合わせてもよい。さらに、本開示の範囲を逸脱することなしに、実施形態のいずれにも、変形、追加、または省略を行うことができる。本開示の範囲を逸脱することなしに、任意の実施形態の構成要素を、特定の必要に応じて、統合または分離してもよい。
【図１】
2016534389.tif 000057
【図２】
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【図３】
2016534389.tif 000059
【図４】
2016534389.tif 000060
【図５】
2016534389.tif 000061
【図６】
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【図７】
2016534389.tif 000063
【図８】
2016534389.tif 000064
【図９Ａ】
2016534389.tif 000065
【図９Ｂ】
2016534389.tif 000066
【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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2016534389.tif 000070