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Resolution-Enhanced Parallel Coded Ptychography for High-Throughput Optical Imaging
ACS Photonics ( IF 6.5 ) Pub Date : 2021-10-14 , DOI: 10.1021/acsphotonics.1c01085 Shaowei Jiang 1 , Chengfei Guo 1 , Pengming Song 1 , Niyun Zhou 2 , Zichao Bian 1 , Jiakai Zhu 1 , Ruihai Wang 1 , Pei Dong 2 , Zibang Zhang 1 , Jun Liao 2 , Jianhua Yao 2 , Bin Feng 1 , Michael Murphy 3 , Guoan Zheng 1
ACS Photonics ( IF 6.5 ) Pub Date : 2021-10-14 , DOI: 10.1021/acsphotonics.1c01085 Shaowei Jiang 1 , Chengfei Guo 1 , Pengming Song 1 , Niyun Zhou 2 , Zichao Bian 1 , Jiakai Zhu 1 , Ruihai Wang 1 , Pei Dong 2 , Zibang Zhang 1 , Jun Liao 2 , Jianhua Yao 2 , Bin Feng 1 , Michael Murphy 3 , Guoan Zheng 1
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Ptychography is an enabling coherent diffraction imaging technique for both fundamental and applied sciences. Its applications in optical microscopy, however, fall short for its low imaging throughput and limited resolution. Here, we report a resolution-enhanced parallel coded ptychography technique that achieves the highest numerical aperture and an imaging throughput orders of magnitude greater than previous demonstrations. In this platform, we translate the samples across the disorder-engineered surfaces for lensless diffraction data acquisition. The engineered surface consists of chemically etched micron-level phase scatters and printed subwavelength intensity absorbers. It is designed to unlock an optical space with spatial extent (x, y) and frequency content (kx, ky) that is inaccessible using conventional lens-based optics. To achieve the best resolution performance, we also report a new coherent diffraction imaging model by considering both the spatial and angular responses of the pixel readouts. Our low-cost prototype can directly resolve a 308 nm line width on the resolution target without aperture synthesizing. Gigapixel high-resolution microscopic images with a 240 mm2 effective field of view can be acquired in 15 s. For demonstrations, we recover slow-varying 3D phase objects with many 2π wraps, including optical prism and convex lens. The low-frequency phase contents of these objects are challenging to obtain using other existing lensless techniques. For digital pathology applications, we perform accurate virtual staining by using the recovered phase as attention guidance in a deep neural network. Parallel optical processing using the reported technique enables novel optical instruments with inherent quantitative nature and metrological versatility.
中文翻译：
用于高通量光学成像的分辨率增强并行编码 Ptychography
Ptychography 是一种适用于基础科学和应用科学的相干衍射成像技术。然而，它在光学显微镜中的应用由于其低成像吞吐量和有限的分辨率而达不到要求。在这里，我们报告了一种分辨率增强的并行编码 ptychography 技术，该技术实现了最高的数值孔径和比以前的演示大几个数量级的成像吞吐量。在这个平台中，我们将样品转换到无序设计的表面，以进行无透镜衍射数据采集。工程表面由化学蚀刻的微米级相位散射体和印刷的亚波长强度吸收体组成。它旨在解锁具有空间范围 ( x , y ) 和频率内容 ( kx , k y )，这是使用传统的基于透镜的光学器件无法达到的。为了获得最佳分辨率性能，我们还通过考虑像素读数的空间和角度响应，报告了一种新的相干衍射成像模型。我们的低成本原型可以直接在分辨率目标上分辨 308 nm 线宽，而无需孔径合成。具有 240 mm 2 的千兆像素高分辨率显微图像可在 15 秒内获得有效视野。为了演示，我们使用许多 2π 包裹恢复缓慢变化的 3D 相位对象，包括光学棱镜和凸透镜。使用其他现有的无透镜技术很难获得这些物体的低频相位内容。对于数字病理学应用，我们通过使用恢复阶段作为深度神经网络中的注意力引导来执行准确的虚拟染色。使用所报告技术的并行光学处理使新型光学仪器具有固有的定量性质和计量多功能性。
更新日期：2021-11-17
中文翻译：
用于高通量光学成像的分辨率增强并行编码 Ptychography
Ptychography 是一种适用于基础科学和应用科学的相干衍射成像技术。然而，它在光学显微镜中的应用由于其低成像吞吐量和有限的分辨率而达不到要求。在这里，我们报告了一种分辨率增强的并行编码 ptychography 技术，该技术实现了最高的数值孔径和比以前的演示大几个数量级的成像吞吐量。在这个平台中，我们将样品转换到无序设计的表面，以进行无透镜衍射数据采集。工程表面由化学蚀刻的微米级相位散射体和印刷的亚波长强度吸收体组成。它旨在解锁具有空间范围 ( x , y ) 和频率内容 ( kx , k y )，这是使用传统的基于透镜的光学器件无法达到的。为了获得最佳分辨率性能，我们还通过考虑像素读数的空间和角度响应，报告了一种新的相干衍射成像模型。我们的低成本原型可以直接在分辨率目标上分辨 308 nm 线宽，而无需孔径合成。具有 240 mm 2 的千兆像素高分辨率显微图像可在 15 秒内获得有效视野。为了演示，我们使用许多 2π 包裹恢复缓慢变化的 3D 相位对象，包括光学棱镜和凸透镜。使用其他现有的无透镜技术很难获得这些物体的低频相位内容。对于数字病理学应用，我们通过使用恢复阶段作为深度神经网络中的注意力引导来执行准确的虚拟染色。使用所报告技术的并行光学处理使新型光学仪器具有固有的定量性质和计量多功能性。
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