JP2013542468A - 走査型投影レンズレス顕微鏡システム - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2010年10月26日に「Scanning Projective Microscopy System for 2D and 3D Imaging」とのタイトルで出願された米国特許仮出願第61/406,916号及び2011年5月4日に「ePetri: An On-Chip Cell Imaging Platform based on Sub-Pixel Perspective Sweeping Microscopy」とのタイトルで出願された米国特許仮出願第61/482,531号に基づく優先権を主張する非仮特許出願である。これらの仮特許出願の全内容は、あらゆる目的で参照により本明細書に組み入れられる。
・2009年3月4日に「Optofluidic Microscope Device with Photosensor Array」とのタイトルで出願された米国特許出願第12/398,050号。
・2011年3月23日に「Super Resolution Optofluidic Microscopes for 2D and 3D Imaging」とのタイトルで出願された米国特許出願第13/069,651号。
以下、本発明のこれら又はその他の実施形態について、より詳細に説明する。
Yk=DHFkX+Vk(k=1,2・・・N) (1)
行列Fkは、画像Xのサブピクセルシフト動作を表す。行列Hは、光検出器160(例えば、CMOS画像センサ)のピクセル並進関数である。行列Dは、デシメーション動作を表し、計測された画像において観測されるピクセル数の減少を示す。Vkは、平均がゼロであり、自己相関行列
を持つ付加的ガウス測定雑音を表す。
A. 方法1-2DモノクロSPLMシステム
第一の方法においては、実施形態によるSPLMシステム10は、LR投影画像列及び動きベクトルに基づいて、適切なSRアルゴリズムを用いて、試料150の2DのモノクロHR画像を構築するよう構成されたものとすることができる。この場合は、既知の並進シフト量及びシステムの空間不変の点拡がり関数Hのみが存在し、関数Hも既知である。したがって、「Elad」で提案されているような以下に示すより効果的かつ計算効率の優れた超解像度技術を適用することができる。SPLMシステム10の所望の出力である試料150の原HR画像Xについて、以下のような試料の低解像度の画像列が得られる。
Yk=DHFkX+Vk(k=1,2・・・N) (4)
ここで、Fk は並進シフト、Hは光学システムの点拡がり関数、Dkは原LR投影画像のダウンサンプリング、そしてVk は自己相関
を持つ白色雑音である。したがって、最小二乗誤差を最小化することにより、N個のLR投影画像列から以下のような計算された高解像度画像
が得られる。
第二の方法においては、実施形態によるSPLMシステム10は、カラー光検出器160により撮影されたLRカラー投影画像列に基づいて、適切なSRアルゴリズムを用いて、試料150の2DカラーHR画像を生成するよう構成されたものとすることができる。この方法において、SPLMシステム10は、サブピクセルシフトされたカラーLR投影画像列を撮影することが可能なカラー光検出器112(例えば、カラーCMOSセンサ)を有する。プロセッサ210は、サブピクセルシフトされたカラーLR投影画像と共に、適切なカラー超解像度技術を用いて、1つ又は複数のSRカラー画像を生成することができる。最も簡単な技術としては、色成分それぞれに対して個別にモノクロ超解像度技術を用いるものが挙げられる。別の例においては、異なる色空間への変換を伴う、より複雑な超解像度技術を用いることもできる。このことは、例えば、Farsiu, Sinaらの論文、「Advances and challenges in super-resolution」、Wiley Periodicals(2004年)に見ることができ、その全内容は、あらゆる目的で参照により本明細書に組み入れられる。
第三の方法においては、実施形態によるSPLMシステム10は、それぞれが異なる照射118の波長又は色に関連付けられた複数のLRフレーム列に基づいて、適切なSRアルゴリズムを用いて、試料150の2DカラーHR画像を生成するよう構成されたものとすることができる。SPLMシステム10は、異なる波長/色に関連付けられたそれぞれの列に基づいて、2DのカラーHR画像を構築することができる。SPLMシステム10は、異なる波長に関連付けられた複数の2DのカラーHR画像を結合して、試料150の2DのマルチカラーHR画像を作成することができる。そうした実施形態のSPLMシステム10は、カラー照射ディスプレイ116(例えば、カラーLCD)又はカラー照射118を生成することが可能なその他の装置を備えた走査照明源100を有する。任意の適切な波長及び波長の数を用いることができる。一例において、可視色の範囲が最も大きな光の波長を選ぶことができる。いくつかの例においては、異なる波長/色を用いた個別の走査を用いて、RGBのLR投影画像列を別々に撮影することができる。別の場合において、光素子117は、単一の走査において異なる波長/色を連続的に切り替える。
第四の方法においては、実施形態によるSPLMシステム10は、3Dディスプレイ230上での3D撮像のために構成されたものとすることができる。この方法において、SPLMシステム10は、n個の異なる入射角でn個の2DのHR画像を生成して、異なる光素子117の位置に基づくオブジェクト152の様々な視点画像を生成することができる。
第五の方法においては、実施形態によるSPLMシステム10は、試料150を通る様々な関心平面で2DのHR画像の「ピントを合わせる」をよう構成されたものとすることができる。また、SPLMシステム10は、「ピント合わせ」された複数の2DのHR画像を様々な平面にスタックして3DのHR画像を生成することができる。三次元の試料について、当該三次元の試料の様々な面での「ピント合わせ」を実現するために、SPLMシステム10は、サブピクセルシフトされたLR画像列から、それぞれのサブピクセルシフトに関連する異なる動きベクトルに基づいて、HR画像を構築することができる。
図11は、本発明の実施形態に従った、SPLMシステム10において存在し得るサブシステムを示すブロック図である。例えば、SPLMシステム10は、プロセッサ410を有する。プロセッサ410は、第一プロセッサ112及び/又は第二プロセッサ210を有することができる。プロセッサ410は、いくつかの場合においては、光検出器160の構成部品とすることができる。プロセッサ410は、いくつかの場合においては、走査照明源100の構成要素とすることができる。
Claims (17)
- 走査型投影レンズレス顕微鏡装置であって、
試料面と、
光素子を有し、当該光素子を複数の走査位置に走査させて、前記試料面の試料に照射を行うよう構成された走査照明源と、
前記試料面の外部にあり、前記複数の走査位置に対応してサブピクセルシフトされた投影画像列をサンプリングするよう構成された光検出器と、
前記投影画像列と動きベクトルとに基づいて、前記試料の高解像度画像を構築するよう構成されたプロセッサと
を有する走査型投影レンズレス顕微鏡装置。 - 請求項1記載の走査型投影レンズレス顕微鏡装置において、当該装置はさらに、前記試料面と前記光検出器との間に置かれた透過層を有する走査型投影レンズレス顕微鏡装置。
- 請求項1記載の走査型投影レンズレス顕微鏡装置において、前記照射の光は、インコヒーレント光である走査型投影レンズレス顕微鏡装置。
- 請求項1記載の走査型投影レンズレス顕微鏡装置において、
前記走査照射源はさらに、ピクセルの二次元アレイを有し、
前記光素子は、前記ピクセルの二次元アレイにおける連続的に照射されるピクセルセットの形態である
走査型投影レンズレス顕微鏡装置。 - 請求項4記載の走査型投影レンズレス顕微鏡装置において、前記二次元アレイはLCDである走査型投影レンズレス顕微鏡装置。
- 請求項1記載の走査型投影レンズレス顕微鏡装置において、前記照射の強度は、走査位置によって変化する走査型投影レンズレス顕微鏡装置。
- 請求項1記載の走査型投影レンズレス顕微鏡装置において、前記光素子からの前記照射の各走査位置での強度は、その走査位置と全走査位置のアレイの中心との間の距離に基づく走査型投影レンズレス顕微鏡装置。
- 請求項1記載の走査型投影レンズレス顕微鏡装置において、前記光素子の各走査位置でのサイズは、その走査位置と全走査位置のアレイの中心との間の距離に基づく走査型投影レンズレス顕微鏡装置。
- 請求項1記載の走査型投影レンズレス顕微鏡装置において、前記試料は、コンフルエントな試料である走査型投影レンズレス顕微鏡装置。
- 請求項1記載の走査型投影レンズレス顕微鏡装置において、
前記光検出器はカラーセンサアレイであり、
前記高解像度画像はカラー画像である
前記走査型投影レンズレス顕微鏡装置。 - 請求項1記載の走査型投影レンズレス顕微鏡装置において、
前記光素子は、走査位置によって複数の波長の照射を発生するよう構成されており、
前記光検出器はさらに、それぞれが前記複数の波長のうち異なる波長と関連付けられた複数の投影画像列をサンプリングするよう構成されており、
前記プロセッサはさらに、前記複数の投影画像列に基づいて複数の高解像度画像を生成し、当該複数の高解像度画像を結合してカラー高解像度画像を生成するよう構成されている
走査型投影レンズレス顕微鏡装置。 - 請求項1記載の走査型投影レンズレス顕微鏡装置において、前記プロセッサはさらに、前記複数のサブピクセルシフトされた投影の関心平面での前記動きベクトルを特定するよう構成されている走査型投影レンズレス顕微鏡装置。
- 請求項1記載の走査型投影レンズレス顕微鏡装置において、
前記動きベクトルは、前記試料を通過するピント面に関連しており、
前記高解像度画像は、前記ピント面でピントが合う
走査型投影レンズレス顕微鏡装置。 - 請求項1記載の走査型投影レンズレス顕微鏡装置において、前記複数の走査位置における隣接する走査位置間の距離は、前記投影画像列におけるサブピクセルシフトに対応する走査型投影レンズレス顕微鏡装置。
- 走査型投影レンズレス顕微鏡システムであって、
試料面と、
光素子を有し、当該光素子を複数の走査位置に走査させて、前記試料面の試料に照射
を行うよう構成された走査照明源と、
前記試料面の外部にあり、前記複数の走査位置に対応してサブピクセルシフトされた
投影画像列をサンプリングするよう構成された光検出器と
を有する走査型レンズレス顕微鏡装置と、
前記投影画像列と動きベクトルとに基づいて、前記試料の高解像度画像を構築するよ
う構成されたプロセッサと
を備える
走査型投影レンズレス顕微鏡システム。 - 請求項15記載の走査型投影レンズレス顕微鏡システムにおいて、当該システムはさらに、前記プロセッサと電子通信状態にあり、前記高解像度画像を表示するよう構成されているディスプレイを有する走査型投影レンズレス顕微鏡システム。
- 試料面、照射ディスプレイ、前記試料面の外部にある光検出器及びプロセッサを有する走査型投影レンズレス顕微鏡装置を用いてオブジェクトの高解像度画像を生成する方法であって、
前記試料面上に前記オブジェクトを載置するステップと、
前記照射ディスプレイの1つ又は複数のピクセルを複数の走査位置で順次照射して、異なる照射角度から前記オブジェクトに対して照射を行うステップと、
前記複数の走査位置に対応するサブピクセルシフトされた投影画像列を撮影するステップと、
前記投影画像の平面での動きベクトルを特定するステップと、
前記投影画像列と前記動きベクトルとに基づいて、前記オブジェクトの高解像度画像を構築するステップと
を含む方法。
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