Spectrum multiplexing and coherent-state decomposition in Fourier ptychographic imaging
信息多路复用对于生物医学成像和化学传感是重要的。在本文中，我们报告了一种显微成像技术，称为状态复用傅立叶重叠关联（FP），信息复用和相干态分解。与典型的傅立叶重叠关联成像设置类似，我们使用光源阵列从不同的入射角照射样品，并使用单色相机获取相应的低分辨率图像。然而，在所报道的技术中，多个光源被同时点亮用于信息复用，并且所获取的图像因此表示对应于不同相干态的样品透射分布的不相干总和。我们表明，通过使用状态复用FP恢复例程，我们可以分解FP采集的非相干混合物，以恢复高分辨率的样本图像。我们还表明，可以通过同时打开R/G/B LED进行数据采集来执行彩色多路复用成像。所报道的技术可以提供用于处理傅立叶重叠关联成像平台中使用的光源的部分相干效应的解决方案。它也可以用来代替光谱滤波器，光栅或其他光学元件的光谱复用和解复用。随着具有成本效益的宽带LED的可用性，报告的技术可能会打开令人兴奋的机会，计算多光谱成像。
2014-05-01 physics.optics
Generalized spectral phase-only time-domain ptychographic phase reconstruction applied in nonlinear microscopy
非线性显微镜在过去的几十年里已经发展成为生物科学中成像和光谱应用的强大工具。在这项研究中，I $^2$ PIE，一种新的光谱相位控制技术，实现了压缩宽带超连续光脉冲中产生的全正常色散（ANDi）光子晶体光纤（PCF）。该技术，基于时域重叠关联，在这里展示了第一次在非线性显微镜应用，尽我们所知。第一个现实世界的应用，这种技术的二次谐波产生和双光子激发荧光显微镜在生物样品。我们进一步表明，在我们的实现中，I $^2$ PIE导致改进的对比度和信噪比在所生成的图像中，相比传统的压缩技术中使用的非线性显微镜。
2020-09-16 physics.optics
Vignetting effect in Fourier ptychographic microscopy
傅立叶重叠关联显微镜（FPM）是一种计算成像技术，通过应用角度多样性照明克服了传统显微镜的物理空间带宽积（SBP）限制。在通常的FPM模型中，微观系统被近似为空间不变的，传递函数由物镜的复光瞳函数确定。然而，在实际的实验条件下，当样品在亮场和暗场之间的“过渡区”内被LED照射时，很容易观察到一些意想不到的“半亮半暗”图像，这些图像具有很强的渐晕效应。这些不完美的图像，显然，不符合空间不变模型，并可能严重恶化重建质量。在这封信中，我们基于基于射线和严格的基于波动光学的分析来研究这种空间不变近似对FPM图像形成的影响。我们的分析表明，对于一个实际的FPM显微镜与低倍物镜和大视场，空间不变性被破坏的衍射在其他停止与不同的透镜元件在很大程度上。的空间变化模型的修改版本的推导和讨论。两个简单的对策，并通过实验验证，以绕过或部分减轻渐晕引起的重建伪影。
2017-10-19 physics.optics
High-space-bandwidth product characterization of metalenses with Fourier ptychographic microscopy
针对大NA大口径超透镜相位测量的高空间带宽积需求，提出基于傅里叶叠层显微术的相位表征技术，实现4.91兆像素高SBP测量，可分析加工像差并提供补偿策略，助力超透镜设计与工艺优化。
2024-11-02 physics.optics
Fourier ptychographic reconstruction using Wirtinger flow optimization
近年来，傅立叶重叠关联成像（FP）由于其在利用大视场成像中的快照数量来获得空间分辨率方面的显著效果而引起了极大的关注。为了在角度变化的光照下获得高信噪比的图像，FP需要较长的曝光时间，这在很大程度上限制了它的实际应用。本文基于最近报道的Wirtinger流算法，提出了一种结合相位恢复和噪声松弛的迭代优化框架，利用短曝光时间下拍摄的低信噪比图像实现FP重建。对合成数据和实际采集数据的实验验证了该方法的有效性。具体而言，所提出的技术可以节省约80%的曝光时间，以实现类似的检索精度相比，传统的FP。此外，我们已经发布了我们的源代码用于非商业用途。
2014-11-24 physics.optics
Terahertz Fourier Ptychographic Imaging
IMS Laboratory, University of Bordeaux（波尔多大学 IMS 实验室）；Laboratoire Kastler Brossel, ENS-Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Collège de France（卡斯特尔·布罗塞尔实验室，ENS-巴黎文理研究大学，法国国家科学研究中心，索邦大学，法兰西公学院）；Optics and Photonics Centre, Indian Institute of Technology Delhi（德里印度理工学院 光学与光子学中心）
本研究提出了一种无需大幅修改硬件的太赫兹傅里叶光谱成像方法，通过多角度平面波照明和傅里叶域算法实现高分辨率成像，为材料表征和非破坏性测试提供了新途径。
2025-12-04 physics.optics
Computational illumination for high-speed in vitro Fourier ptychographic microscopy
我们展示了一种新的计算照明技术，实现了大的空间带宽时间的产品，定量相位成像的未染色的活体样品在体外。显微镜镜头可以具有大视场（FOV）或高分辨率，而不是两者兼而有之。傅立叶重叠关联显微镜（FPM）是一种新的计算成像技术，它通过融合来自不同照明角度拍摄的多个图像的信息来规避这一限制。结果是具有宽FOV和高分辨率的千兆像素级图像，即大空间带宽积（SBP）。FPM具有革命性的显微镜的巨大潜力，并已在数字病理学中得到应用。然而，它的缺点是采集时间长（大约几分钟），限制了吞吐量。更快的捕获时间不仅可以提高成像速度，而且还可以研究实时样本，其中运动伪影会降低结果。与固定（例如病理学）载玻片相比，活样本在各种空间和时间尺度上不断演变。在这里，我们提出了一种新的信源编码方案，以及实时硬件控制，以实现0.8 NA分辨率在一个4x FOV与亚秒级捕获时间。我们提出了一种改进的算法和新的初始化方案，这使得强大的相位重建长时间的实验。我们提出了第一个FPM的结果，在体外细胞培养的增长和融合，捕捉视频的亚细胞动力学现象在流行的细胞系进行分裂和迁移。我们的方法打开了FPM的应用程序与现场样品，观察罕见的事件在空间和时间。
2015-09-20 physics.optics
Wide-field high-resolution 3D microscopy with Fourier ptychographic diffraction tomography
我们报告了一种计算3D显微镜技术，称为傅立叶重叠关联衍射断层扫描（FPDT），迭代缝合在一起的许多照明，低分辨率的图像与低数值孔径（NA）的目标在3D傅立叶空间中创建一个宽视场（FOV），高分辨率，深度分辨的复杂折射率（RI）图像在大体积。与依赖于受控明场照明、全息相位测量和高NA物镜检测的传统光学衍射层析成像（ODT）方法不同，FPDT采用仅来自低NA强度测量的层析成像RI重建。此外，FPDT采用了超出物镜NA的高角度暗场照明，显著扩展了可接近物体的频率。使用FPDT，我们在1.77mm2的10倍FOV和~20μm的焦深上呈现了最高通量的ODT结果，具有390 nm的横向分辨率和899 nm的轴向分辨率。生物样品的十亿体素3D断层成像结果确立了FPDT作为高通量3D显微应用的强大的非侵入性和无标记工具。
2019-05-26 physics.bio-ph physics.optics
Super-resolved multispectral lensless microscopy via angle-tilted, wavelength-multiplexed ptychographic modulation
我们报告了一个角度倾斜，波长复用重叠关联调制方法的多光谱无透镜片上显微镜。在这种方法中，我们用5个波长的光同时照射样品。在照明路径处添加棱镜以用于光谱色散。因此，不同波长的光波以略微不同的入射角击中样本，打破了混合状态重叠关联重建中的模糊性。在检测路径，我们放置一个薄的扩散之间的标本和单色图像传感器的光谱信息编码成2D强度测量。通过将样品扫描到不同的x-y位置，我们获得了一系列单色图像，用于在5个波长下重建5个复杂的物体轮廓。一个上采样程序被集成到恢复过程中，以绕过成像器像素大小所施加的分辨率限制。我们证明了半间距分辨率为0.55微米，使用1.85微米像素大小的图像传感器。我们还展示了用于数字病理学应用的染色组织切片的定量和高质量多光谱重建。
2020-06-15 eess.IV physics.optics
Dual-wavelength Fourier Ptychographic Topography
Boston University（波士顿大学）；Samsung Electronics Co., Ltd.（三星电子株式会社）
双波长傅里叶棱镜成像拓扑通过双波长复场重建和相位差利用，扩展了单波长FPT的高度范围限制，提高了高分辨率拓扑测量的稳健性和精度。
2025-12-09 physics.optics
Wide-field Fourier ptychographic microscopy using laser illumination source
傅立叶重叠关联显微镜是一种相干成像方法，它可以利用在不同空间频率区域捕获的多个低带宽图像合成具有较高带宽的图像。该方法对多个图像的需求推动了对更明亮的照明方案和高帧速率相机的需求，以实现更快的采集。我们报告使用引导激光束作为FP显微镜的照明源。它使用一个反射镜阵列和一个二维扫描振镜系统，以不同的入射角提供平面波照明的样品。由于系统中玻璃表面之间的反射，激光器的使用在图像捕获过程中呈现散斑。它们在最终重建图像中表现为缓慢变化的背景波动。我们能够通过在FP算法中包括通过微分相衬（DPC）反卷积获得的相位图像来减轻这些伪影。我们使用1瓦激光器，配置为提供具有150 mW功率和1 cm光束直径的准直光束，以允许在我们的系统中对96个原始FP输入图像的总捕获时间为0.96秒，其中相机传感器的帧速率是速度的瓶颈。我们证明了4.25的分辨率提高的因素，使用0.1 NA物镜在2.7 mm × 1.5 mm的全相机视场。
2016-03-23 physics.optics
Super-resolution microscopy via ptychographic structured modulation of a diffuser
我们报告了一种新的相干成像技术，称为重叠关联结构调制（PSM），定量超分辨率显微镜。在该技术中，我们放置薄漫射器（即，散射透镜）以调制来自物体的复杂光波。因此，可以将以其他方式不可访问的高分辨率对象信息编码到所捕获的图像中。然后，我们采用重叠关联相位恢复过程，以联合恢复复杂物体的出射波前和未知的漫射体轮廓。与基于照明的超分辨率方法不同，我们的方法恢复的图像取决于复杂波前如何离开样品-而不是进入样品。因此，在重建过程中，样品厚度变得无关紧要。恢复后的超分辨复波前可以传播到光轴上的任意位置。我们验证我们的方法，使用分辨率目标，定量相位目标，两层样品，和厚PDMS样品。我们证明了超过衍射极限的4.5倍的分辨率增益。我们还表明，一个4倍的分辨率增益可以实现少至30张图像。报道的方法可以提供一个定量的超分辨率相干光，X射线和电子成像的策略。
2019-06-06 eess.IV physics.optics
Vignetting Effects: a Tool to Characterize a Fourier Ptychographic Microscope
University of Siegen（锡根大学）
本研究打破将渐晕视为FPM系统干扰的常规认知，将其作为分析工具，通过表征实验装置组件、对比几何与波动光学模拟，实现了对FPM光学系统几何、相干特性的建模及光瞳像差的部分表征。
2024-04-17 physics.optics
System calibration method for Fourier ptychographic microscopy
傅立叶重叠关联显微术（FPM）是近年来提出的一种高分辨率、宽视场的定量相位成像技术。在现有的FPM成像平台中，像差、LED光强波动、参数缺陷和噪声等都是系统误差的主要来源，它们会严重影响重建结果，产生伪影。虽然人们对这些问题进行了研究，并分别提出了一些特殊的方法，但还没有一种方法可以解决所有的问题。然而，在实际情况下，系统误差是多种来源的混合。由于相似的伪影，很难区分一种误差源。为此，我们报告了一个系统校准程序，称为SC-FPM，基于模拟退火（SA）算法，LED强度校正和自适应步长策略，其中涉及在每个迭代步骤的误差矩阵的评估，其次是重新估计准确的参数。在仿真和实验中均取得了良好的性能。所提出的系统标定方案提高了FPM的鲁棒性，放宽了实验条件，使FPM更加实用。
2017-03-16 physics.ins-det physics.optics
Analysis of Fourier ptychographic microscopy with half of the captured images
傅立叶重叠关联显微术（FPM）是一种新的计算成像技术，可以提供具有高分辨率和宽视场（FOV）的千兆像素图像。然而，数据采集过程的耗时是一个关键问题。本文分析了半幅图像FPM成像系统。基于传统的FPM系统的图像分析，我们然后比较重建图像与不同数量的捕获数据。仿真和实验结果表明，相对于全部采集数据的重建图像，采用一半采集数据的重建图像除了对比度降低外，分辨率没有明显下降。特别是在对象接近仅相位/仅振幅的情况下，具有一半捕获数据的重建图像的质量几乎与利用全数据重建的图像一样好。
2018-02-20 eess.IV physics.optics
Fourier ptychographic reconstruction using Poisson maximum likelihood and truncated Wirtinger gradient
Tsinghua University（清华大学）；California Institute of Technology（加州理工学院）
傅里叶重叠关联显微术（FPM）是一种新的高空间带宽产品成像的计算相干成像技术。在数学上，傅立叶重叠关联（FP）重建可以实现为相位恢复优化过程，其中我们仅获得对应于样品的高分辨率（HR）空间光谱的子带的低分辨率强度图像，并且旨在恢复复杂的HR光谱。在实际测量中，测量值往往会受到高斯噪声、泊松噪声、散斑噪声和瞳孔位置误差等各种退化的影响，从而严重影响了重建效果。为了有效地解决这些退化，我们提出了一种新的FP重建方法在本文的梯度下降优化框架。该技术利用泊松最大似然更好的信号建模，和截断Wirtinger梯度的误差消除。使用我们的激光FPM设置捕获的模拟数据和真实数据的结果表明，所提出的方法优于其他最先进的算法。此外，我们已经发布了我们的源代码用于非商业用途。
2016-03-01 cs.CV physics.optics
Ptychographic lens-less polarization microscopy
双折射是光学各向异性材料的固有特性，广泛应用于从材料表征到临床诊断的各种成像应用中。偏振光显微镜能够实现光学各向异性样品的高分辨率、高对比度成像，但它与偏振器/分析器的机械旋转和相对复杂的光学设计相关。在这里，我们提出了一种新形式的偏振敏感显微镜能够双折射成像的透明物体，而无需光学透镜和任何移动部件。我们的方法利用光学掩模调制偏振图像传感器和单输入状态LED照明设计，通过重叠关联相位检索获得物体的复杂和双折射图像。使用像素分辨率为3.45 μ m的相机，该方法在59.74 mm^2的视场内实现了半间距分辨率为2.46 μ m的双折射成像，这对应于990万像素的空间带宽积。我们展示了高分辨率，大面积的双折射成像能力，我们的方法，提出了各种各向异性物体的双折射图像，包括双折射分辨率的目标，液晶聚合物消偏器，结晶，和切除的小鼠眼睛和心脏组织。
2022-09-13 eess.IV physics.optics
Parallelized aperture synthesis using multi-aperture Fourier ptychographic microscopy
我们报告了一种新的显微镜平台，称为多孔径傅立叶重叠关联显微镜（MA-FPM），能够实现千兆像素复杂的现场图像与大的数据采集带宽-千兆像素每秒。MA-FPM是一种合成孔径技术-使用物镜阵列和倾斜移位照明来合成高分辨率、宽视场图像。这里，使用傅立叶重叠关联（FP）算法来恢复相位，这与使用全息测量的常规光学合成孔径技术不同。由于多个目标的并行数据采集能力提供了前所未有的带宽，使在扩展景深的高速体外过程的成像。在这里，我们提出了一个概念验证实验，证明了高质量的成像性能，尽管使用九倍少的照明角度相比，一个等效的FP设置。校准程序和重建算法的开发，以解决多个成像系统的挑战。我们的技术为研究细胞培养提供了一种新的成像工具，为这些过程提供了新的见解。
2018-06-06 eess.IV physics.ins-det physics.optics
Feature-domain Fourier ptychographic tomography with dark-field illumination
Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)（韩国科学技术院）；Pusan National University（釜山国立大学）；KAIST Institute for Health Science and Technology（KAIST健康科学与技术研究所）
本文提出特征域傅里叶叠层断层成像（FD-FPT），通过特征提取结合自动微分优化，实现了千兆体素级无标记体积成像，可解析常规方法无法识别的精细结构，兼具毫米级覆盖与细胞级对比度。
2026-08-25 physics.optics
Fourier ptychographic microscopy aided with transport of intensity equation for robust full phase spectrum reconstruction
提出一种结合FPM与TIE的混合成像方法，通过增加单张同轴离焦图像恢复低频相位信息，显著提升了全频段相位重建保真度，并实现了超出0-2π范围的相位恢复。
2025-05-30 physics.optics
Hybrid-illumination multiplexed Fourier ptychographic microscopy with robust aberration correction
针对傅里叶叠层显微术采集慢、复用方案像差校正不足的问题，提出结合解析像差提取与混合照明的HMFPM方法，仅用20次测量实现4倍于相干衍射极限的分辨率，兼具鲁棒像差校正与高通量成像能力。
2025-09-06 eess.IV physics.optics
In situ correction of liquid meniscus in cell culture imaging system based on parallel Fourier ptychographic microscopy (96 Eyes)
我们与安进公司合作，花了五年时间设计和制造基于傅立叶重叠关联显微镜（FPM）的下一代多孔板成像仪。在我们以前的工作中，报道了一个6孔成像仪（Emsight）和一个基于并行FPM的低成本并行显微系统（96 Eyes）。然而，液体弯月面对成像质量的影响比预期的要大得多，引入了明显的波矢失调和额外的像差。为此，提出了一种自适应波矢量校正（AWC-FPM）算法和一种光瞳恢复改进策略来解决这些挑战。此外，还增加了双通道荧光激发，为微生物学家获取结构信息。实验证明，以验证其性能。该算法的角分辨率精度在0.003 rad以内。我们的算法将使FPM算法更加强大和实用，并可以扩展到其他基于FPM的应用程序，以克服类似的挑战。
2019-12-28 eess.IV physics.bio-ph physics.optics
Robust full-pose-parameter estimation for the LED array in Fourier ptychographic microscopy
傅立叶重叠关联显微术（FPM）通过合成在角度变化的照明下捕获的一组低分辨率强度图像，可以实现具有大空间带宽积的定量相位成像。确定准确的照明角度是至关重要的，因为实际系统参数和恢复算法中使用的参数之间的一致性对于高质量成像至关重要。提出了一种基于物理的全姿态参数照明角度标定方法。使用基于物理学的模型构建与所采用的显微镜和捕获的图像内的明场到暗场边界的一般知识，我们可以解决错位的LED阵列的全姿态参数，其中包括样品和LED阵列之间的距离，两个正交的横向位移，一个面内旋转角，和两个倾斜角，以精确地校正照明角度。定性和定量的实验证明了该方法对恢复随机或显著姿态参数的可行性和有效性。由于姿态参数的完整性，物理模型的清晰性，以及对任意失准的高鲁棒性，我们的方法可以显着促进简洁和强大的FPM平台的设计，实现和应用。
2022-06-11 eess.IV physics.optics
Mid-infrared Fourier ptychographic upconversion imaging
East China Normal University（华东师范大学）；Chongqing Institute of East China Normal University（华东师范大学重庆研究院）；Shanxi University（山西大学）；Shanghai Research Center for Quantum Sciences（上海量子科学研究中心）
提出基于椭圆泵浦和傅里叶叠层的中红外上转换成像系统，通过合成孔径和相位恢复实现高分辨率、宽视场成像，空间带宽积比先前提高十倍以上。
2026-05-26 physics.optics
Fast and robust misalignment correction of Fourier ptychographic microscopy
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院上海光学精密机械研究所）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）；Mechanobiology Institute, National University of Singapore（新加坡国立大学机械生物学研究所）；Seoul National University（首尔大学）；The University of Hong Kong（香港大学）
傅立叶重叠关联显微术（FPM）是一种新发展起来的计算成像技术，它可以提供高分辨率和宽视场的图像。然而，LED阵列的位置未对准引起重构的劣化，特别是在远离光轴的区域中。在本文中，我们提出了一个强大的和快速的方法来纠正FPM的LED失调，称为FPM失调校正（mcFPM）。虽然FOV中的不同区域对LED未对准具有不同的敏感性，但实验结果表明，mcFPM对于消除每个区域中的退化是鲁棒的。与现有的方法相比，mcFPM具有更快的速度。
2018-02-20 cs.CV physics.optics
Reflection-mode Multi-slice Fourier Ptychographic Tomography
Boston University（波士顿大学）
本研究提出反射模式多切片傅里叶偏振光断层成像技术，实现高分辨率多层强散射样品的3D成像，通过暗场测量提升分辨率并实现光学切片。
2026-02-03 physics.optics
Robust Fourier ptychographic microscopy via a physics-based defocusing strategy for calibrating angle-varied LED illumination
傅立叶重叠关联显微术（FPM）是近年来发展起来的一种用于宽视场、高分辨率、高空间带宽积的计算成像技术。它集成了合成孔径和相位恢复的概念，以超越所采用的物镜的分辨率限制。在FPM框架中，需要精确地知道每个子谱的位置以确保相位恢复过程的成功。与传统的机械调整或数据驱动的优化策略不同，本文提出了一种基于物理的散焦策略，用于校正FPM中LED照明的大范围位置偏差。基于与散焦物体的亚像素图像配准过程，我们可以直接推断照明参数，包括光源的横向偏移，LED阵列的面内旋转角度，以及样品和LED板之间的距离。仿真研究和实验验证了该方法的可行性和有效性。我们表明，报告的策略可以获得高质量的重建的复杂的对象和瞳孔，即使LED阵列是随机放置在样本与未知的横向偏移和旋转。因此，它可以通过减少施工过程中对精细机械调整和数据驱动校正的要求来开发强大的FPM系统。
2021-12-28 physics.comp-ph physics.optics
Data preprocessing methods for robust Fourier ptychographic microscopy
Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院西安光学精密机械研究所）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）
傅立叶重叠关联显微术（FPM）是近年来提出的一种高分辨率、宽视场的计算成像技术。在目前的FP实验装置中，由于高角度照明下的暗场图像信噪比低，容易被杂散光和背景噪声淹没，从而严重降低了重建质量，也对FP方法的综合数值孔径（NA）施加了重大限制。为此，提供了一个全面和系统的数据预处理方案，从FP的原始数据集，其中包括采样分析以及曝光不足/曝光过度的处理，然后通过消除未知的杂散光和抑制不可避免的背景噪声，特别是高斯噪声和CCD暗电流在我们的实验。所报道的非参数方案有利于大大增强FP的性能，这已被实验证明，通过这些方法去除噪声的好处远远超过其伴随的信号损失的缺陷。此外，它可以灵活地与现有的国家的最先进的算法，产生更强的鲁棒性的FP方法在各种应用。
2017-06-04 cs.CV physics.optics
Wide-field, high-resolution lensless on-chip microscopy via near-field blind ptychographic modulation
提出了一种基于近场盲重叠关联调制的无透镜片上显微平台。在这个平台中，我们在物体和图像传感器之间放置了一个薄的漫射器，用于光波调制。通过盲扫描未知漫射器到不同的x-y位置，我们获得了一系列调制强度图像，用于定量对象恢复。与之前的重叠关联成像实现不同，我们采用了菲涅尔数约为50，000的单位放大配置，这比之前的重叠关联成像设置高出几个数量级。单位放大率配置允许我们将整个传感器区域（6.4 mm × 4.6 mm）作为成像视场。超高的菲涅尔数使我们能够直接恢复的相位恢复过程中的扩散器的位置偏移，解决了定位精度问题困扰在定期重叠关联实验。在我们的实现中，我们使用一个低成本的，DIY的扫描阶段，以执行盲漫射器调制。精确的机械扫描，这是传统的重叠关联实验中的关键是不再需要在我们的设置。我们还采用了上采样相位恢复方案，以绕过成像器像素大小设置的分辨率限制，并展示了0.78微米的半间距分辨率。我们通过体外细胞培养、透明和染色的组织切片以及厚的生物样品来验证成像性能。我们表明，恢复的定量相位图可以用来执行有效的细胞分割的密集的酵母培养。我们还展示了基于恢复的波前的厚生物样品的3D数字重聚焦。该平台为大视场、高分辨率和定量的片上显微镜提供了一种具有成本效益的交钥匙解决方案。
2020-02-12 eess.IV physics.ins-det physics.optics
SNR-based adaptive acquisition method for fast Fourier ptychographic microscopy
傅立叶重叠关联显微术（FPM）是一种高分辨率、大视场的计算成像技术。然而，典型LED面板可实现的有效数值孔径（NA）是模糊的，并且通常依赖于不同照明NA的重复测试。每个原始图像的成像质量通常取决于视觉评估，这是主观和不准确的，特别是对于那些暗场图像。本文提出了一种基于信噪比（SNR）的自适应采集方法，根据信噪比（SNR）值对每幅原始图像进行定量评估和自适应采集，提高了FPM的采集效率，自动获取可达到的最大NA，减少了采集、存储和后续计算的时间。在不增加任何算法复杂度和计算负担的情况下，采用了广泛使用的EPRY-FPM算法。分别在具有泊松和高斯噪声模型的不同成像传感器的美国空军目标和生物样品中验证了该性能。进一步结合稀疏LED策略，可将采集图像的数量从361帧缩减到25帧左右，缩减率可达90%以上。该方法将使FPM更加实用和自动化，并可用于不同配置的FPM。
2017-10-02 eess.IV physics.optics
FPM-INR: Fourier ptychographic microscopy image stack reconstruction using implicit neural representations
本文提出 FPM-INR 框架，将物理光学模型与隐式神经表示结合，实现无需外部训练数据的高效 FPM 图像栈重建，速度提升最高 25 倍、内存减少 80 倍。
2023-10-31 eess.IV physics.optics
Deep learning approach to Fourier ptychographic microscopy
The Catholic University of America（美国天主教大学）；Boston University（波士顿大学）
卷积神经网络（CNN）在求解复杂逆问题中取得了巨大的成功。这项工作的目的是开发一种新型的CNN框架，以重建使用计算显微镜技术傅里叶重叠关联显微镜（FPM）捕获的动态活细胞的视频序列。FPM的独特之处在于它能够通过拍摄一系列低分辨率强度图像来重建具有宽视场（FOV）和高分辨率（即大空间带宽积（SBP））的图像。对于活细胞成像，单个FPM帧包含具有不同形态特征的数千个细胞样本。我们的想法是充分利用这个大型空间集合提供的统计信息，以便在连续测量中进行预测，而不使用任何额外的时间数据集。具体来说，我们证明了仅在时间序列实验开始时捕获的第一个FPM数据集上训练的CNN可以重建高SBP动态细胞视频。我们的CNN方法仅用~25秒就重建了12800 × 10800像素的相位图像，与基于模型的FPM算法相比，速度提高了50倍。此外，CNN还将每个时间帧中所需的图像数量减少了约6倍。总体而言，这通过减少采集和计算时间显著提高了成像吞吐量。所提出的CNN是基于条件生成对抗网络（cGAN）框架的。此外，我们还利用迁移学习，以便我们预先训练的CNN可以进一步优化以成像其他细胞类型。我们的技术展示了一种很有前途的深度学习方法，可以在很长一段时间内连续监测大型活细胞群体，并以亚细胞分辨率收集有用的空间和时间信息。
2018-07-30 cs.CV physics.optics
Solving Fourier ptychographic imaging problems via neural network modeling and TensorFlow
University of Connecticut（康涅狄格大学）
傅立叶重叠关联成像是近年来发展起来的一种大视场、高分辨率显微成像方法。在这里，我们使用卷积神经网络（CNN）的傅立叶重叠关联成像的前向成像过程建模和恢复复杂的目标信息在网络的训练过程。在这种方法中，网络的输入是空间域中的点扩散函数或傅立叶域中的相干传递函数。对象被视为卷积或乘法层的2D可学习权重。网络的输出被建模为我们的目标是最小化的损失函数。网络的批量大小对应于在一次向前/向后传递中捕获的低分辨率图像的数量。我们使用流行的开源机器学习库TensorFlow来设置网络并进行优化过程。我们分析了不同学习率、不同求解器和不同批量大小的性能。结果表明，一个大的批量大小与亚当优化器实现了最佳的性能一般。为了加速相位恢复过程，我们还讨论了一种策略，实现傅立叶幅度投影使用乘法神经网络模型。由于卷积和乘法是成像建模中最常见的两种运算，因此本文的方法可以为研究许多相干和非相干系统提供一个新的视角。作为演示，我们讨论了扩展的报告网络建模单像素成像和结构照明显微镜（SIM）。4-使用SIM的神经网络来证明帧分辨率加倍。我们已经为广泛的研究社区开放了我们的实现代码。
2018-03-09 cs.CV physics.optics
ELFPIE: an error-laxity Fourier ptychographic iterative engine
本文提出了一种简单而有效的傅里叶重叠关联显微重建算法，称为误差松弛傅里叶重叠关联迭代引擎（Elfpie），它同时对（1）噪声信号具有鲁棒性（包括高斯、泊松和椒盐噪声），（2）有问题的背景照明问题，（3）渐晕效应，以及（4）LED位置的未对准，而不需要校准或恢复这些系统误差。在Elfpie中，我们将FPM的逆问题嵌入到特征提取/恢复的框架下，提出了一种新的数据保真度费用函数，并通过全局二阶全变差正则化（Hessian正则化）进行正则化。推导出费用函数的闭合形式的复梯度，并使用具有自适应学习速率的AdaBelief优化器反向传播，以更新样本和系统光瞳函数的整个傅立叶频谱。Elfpie的仿真数据和实验数据进行了测试，并对国家的最先进的（SOTA）算法进行了比较。实验结果表明，Elfpie在不同退化问题下的重建质量和执行效率方面优于其他SOTA方法。一般来说，与SOTA方法相比，Elfpie对噪声强度为100倍的高斯噪声、噪声强度为1000倍的椒盐噪声和噪声强度为10倍的泊松噪声具有鲁棒性。Elfpie能够在高达2 mm的大LED位置偏差下重建高保真样本场。它还可以绕过所有SOTA方法无法重建样本图案的渐晕效应。通过并行计算，Elfpie能够比传统的FPM快K倍，其中K是使用的LED的数量。
2022-09-29 math.CV math.OC physics.optics
High Space-bandwidth Product Label-free Examination of iPSC-derived Brain Organoids via Fourier Ptychographic Microscopy
Department of Physics and Technology, UiT The Arctic University of Norway（挪威北极大学物理与技术系）；Division of Clinical Microbiology, Department of Laboratory Medicine, Karolinska Institutet（卡罗林斯卡学院实验室医学系临床微生物学部）
利用傅里叶全息显微镜实现iPSC衍生脑类器官的无标记高分辨率成像，揭示细胞类型特异性生物物理特征。
2025-12-30 physics.med-ph physics.optics q-bio.OT
FPM-WSI: Fourier ptychographic whole slide imaging via feature-domain backdiffraction
针对FPM分块拼接导致的颜色不一致与伪影问题，提出特征域反向衍射框架，实现全视场无拼接重建、像差补偿、低频谱重叠恢复与盲自动重对焦。
2024-02-28 math.CV math.OC physics.optics
Morphological variations to a ptychographic algorithm
重叠关联成像是一种广泛用于显微镜的技术，用于实现高分辨率成像。该方法依赖于从样品的若干部分照明产生的衍射图案收集的图像的计算处理。在这项工作中，我们用数值方法研究了使用不同形状来照亮上述样本的效果：凸形，如圆形和正多边形，以及类似QR码的未连接形状。我们的研究结果表明，使用不连接的形状似乎优于凸形状的收敛性，在某些情况下，准确性。
2022-09-05 eess.IV physics.app-ph physics.optics
Optofluidic ptychography on a chip
我们报告了一个完全在芯片上，无透镜显微镜技术称为optofluidic ptychography的实施。这种成像方式补充了微流体技术提供的小型化，并允许将重叠关联显微镜集成到各种芯片实验室设备中。在我们的原型中，我们将微流体通道放置在盖玻片的顶面上，并在底面上涂覆散射层。然后将通道和涂覆的盖玻片基底放置在图像传感器的顶部上以用于衍射数据采集。与流式细胞仪的操作类似，该装置利用微流体流动来将样本输送穿过通道。来自流动物体的衍射光由散射层调制并由图像传感器记录用于重叠关联重建，其中从衍射测量恢复高分辨率定量复杂图像。通过使用具有1.85微米像素尺寸的图像传感器，我们的设备可以在分辨率目标上分辨550 nm线宽。我们通过成像不同类型的生物标本，包括C。线虫，酵母细胞，草履虫，和新月形藻。我们还展示了高分辨率的重叠关联重建在每秒30帧的视频帧速率。所报道的技术可以解决广泛的生物医学需求，并在流式细胞仪配置中产生新的重叠关联成像创新。
2021-12-15 physics.ins-det physics.optics
High-resolution ptychographic imaging at a seeded free-electron laser source using OAM beams
本研究在种子自由电子激光器上利用螺旋波带片产生的极紫外OAM光束进行单发叠层衍射成像，通过控制拓扑荷阶数，使图像分辨率较传统高斯光束提升约30%，为大面积样品的高分辨率时间分辨显微技术铺平道路。
2023-10-18 physics.optics
Phase and amplitude imaging with quantum correlations through Fourier Ptychography
当用有限数量的光子探测时，提取尽可能多的关于物体的信息是从生物学和安全到计量学的应用的重要目标。用少量光子成像是一项具有挑战性的任务，因为检测器噪声和杂散光是主要的，这排除了使用常规成像方法。光子对之间的量子相关性已经被利用在所谓的“预示成像方案”中来消除这个问题。然而，这些实施方式迄今为止仅限于强度成像，并且在这些方法中丢失了关键的相位信息。在这项工作中，我们提出了一种新的量子相关启用傅立叶重叠关联技术，捕捉高分辨率的振幅和相位图像与几个光子。这是通过与傅立叶重叠关联重建相结合的单光子的预示来实现的。我们提供了实验验证并讨论了我们技术的优势，包括达到更高信噪比和非扫描傅里叶重叠关联成像采集的可能性。
2019-06-15 physics.optics quant-ph
High-resolution three-dimensional crystalline microscopy
在这次交流中，我们讨论了如何在布拉格3DXCDI测量中编码晶体样品结构的3D信息。我们的分析揭示了实验参数在最终重建质量中的作用。我们的一个显着结论是，这些参数可以在重叠成像3DXCDI实验之前设置，并且可以相应地评估3D重建的空间分辨率限制。
2020-09-09 physics.comp-ph physics.optics
Deep-ultraviolet ptychographic pocket-scope (DART): mesoscale lensless molecular imaging with label-free spectroscopic contrast
University of Connecticut（康涅狄格大学）；Immunopathology Laboratory, University of Connecticut Health Center（康涅狄格健康中心免疫病理实验室）；University of Sheffield（谢菲尔德大学）；Diamond Light Source（钻石光源）；Georgia Institute of Technology and Emory University（佐治亚理工学院和埃默里大学）
DART通过深紫外光谱对比实现无镜头分子成像，提供高灵敏度的分子分布映射，适用于快速临床诊断和生物表征。
2025-11-08 eess.IV physics.optics
Direct characterization of planar waveguide modes by Fourier plane fluorescence leakage radiation microscopy
在这封信中，泄漏辐射显微镜（LRM）扩展到表征平面波导模式（WMs），而不是表面等离子体激元（SPPs）利用WMs和荧光发射之间的耦合。从荧光LRM的傅里叶平面像可以同时快速地导出同一平面波导中不同波长的传输常数。数值模拟计算了这些模式的传播常数，与实验结果一致。我们的实验提供了一个简单而高效的方法来表征平面波导。
2011-09-21 physics.optics
Optical scatter imaging using digital Fourier microscopy
最近由Alexandrov等人报道的关于光学散射成像的方法，称为数字傅立叶显微术（DFM），代表了数字傅立叶全息术对生物物质的选择性成像的适应。记录样品光散射的全息模式使得能够重建样品图像。样品成分的形状因子提供了在后处理阶段通过灵活的数字傅立叶滤波来实现这些成分的辨别的基础。像在暗场显微镜，DFM图像的对比度似乎改善由于抑制从扩展的样品结构的光学散射。在本文中，我们提出了理论和实验研究的DFM使用生物体模，其中包含多态散射。
2007-03-07 physics.optics
Comparative analysis of imaging configurations and objectives for Fourier microscopy
傅里叶显微镜正成为光学纳米结构和量子发射器分析的一个越来越重要的工具。然而，实现定量傅立叶空间测量需要全面了解光学显微镜引入的像差的影响，光学显微镜已针对传统的实空间成像进行了优化。在这里，我们提出了一个详细的框架，用于分析几种常见的傅立叶成像配置的显微镜物镜的性能。为此，我们从尼康，奥林巴斯和蔡司使用从专利文献中推断的参数，并确认，在可能的情况下，通过物理拆卸的目标模型。然后，我们研究的像差最相关的傅立叶显微镜，包括不同的物镜类的切趾因子的对准公差，放大倍率对调制传递函数的影响，和渐晕引起的减少宽场测量的有效数值孔径。基于这种分析，我们确定了最佳的物镜类和成像配置傅立叶显微镜。此外，作为未来研究的资源，本分析中使用的目标和设置的Zemax文件已公开提供。
2015-10-27 physics.optics
Scanning plasmonic microscopy by image reconstruction from the Fourier space
我们展示了一个简单的方案，用于纳米等离子体结构的高分辨率成像，基本上消除了大部分的分辨率限制允许光通常传输到远场。这是通过在泄漏辐射显微镜（LRM）模式下操作的近场扫描光学显微镜（NSOM）中实施傅立叶透镜来实现的。该方法包括仅从傅立叶空间中收集的等离子体激元“禁止”光重建光学图像。它是通过使用一个点状的纳米金刚石为基础的尖端，照亮了一个薄的金膜图案与亚波长的环形狭缝。与直接在真实空间中获取的NSOM图像相比，狭缝的重建图像显示出增强了因子$\simeq 4$的空间分辨率。
2014-02-25 physics.optics
Ptychographic modulation engine (PME): a low-cost DIY microscope add-on for coherent super-resolution imaging
生物细胞和组织的成像通常依赖于荧光标记，其提供具有分子特异性的高对比度。然而，外源性标记剂的使用可能改变生物样本的正常生理学。作为已建立的荧光显微镜的补充，无标记定量相位成像为生物样本提供了客观的形态测量工具，并且没有造影剂引入的可变性。在这里，我们报告了一个简单，低成本的显微镜附加，称为重叠关联调制引擎（PME），用于超分辨率定量相位成像。在这个显微镜附加模块中，我们将漫射器连接到3D打印的支架上，该支架可以机械移动到不同的x-y位置。然后，我们使用两个振动电机引入随机的位置偏移的扩散。在大多数现有的显微镜平台中，附加模块可以放置在物镜和样品之间。由于漫射器调制过程，否则无法访问的高分辨率对象信息现在可以被编码到捕获的图像中。在重叠关联相位恢复过程中，我们联合恢复复杂的物体波前，复杂的漫射体轮廓，和未知的位置偏移的漫射体。我们证明了4倍的分辨率增益超过所采用的2倍物镜的衍射极限。我们还测试了我们的方法用于体内细胞成像，在那里我们能够在捕获数据后调整焦点。所报道的显微镜附加装置为超分辨率定量相位成像提供了一种交钥匙解决方案。它可能会发现在无标记生物成像中的应用，其中既需要大视场又需要高分辨率。
2019-09-28 eess.IV physics.ins-det physics.optics
Photothermal Fourier-plane Phase Synchronization for Interferometric Scattering Microscopy
Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学）；Wuhan National Laboratory for Optoelectronics（武汉光电国家研究中心）；Institute of Photonics and Electronics of the Czech Academy of Sciences（捷克科学院光子学与电子学研究所）
本文提出傅里叶平面相位同步方法，通过光热相位板与激光扫描在高数值孔径显微镜中实现均匀相位，获得信号增强50%的近完美点扩散函数，并利用$π/2$相位同步抑制背景散斑，成功检测10 nm颗粒。
2025-11-09 physics.optics
Ptychographic sensor for large-scale lensless microbial monitoring with high spatiotemporal resolution
传统的微生物检测方法往往依赖于微生物培养物的整体特性，无法在高时空分辨率下分辨单个生长事件。因此，他们需要细菌生长到汇合，然后解释结果。在这里，我们展示了一个集成的重叠关联传感器的应用程序，在一个大规模和高时空分辨率的微生物培养物的无透镜流式细胞术分析。报告的设备可以放置在常规培养箱中，或用作长期微生物监测的独立培养单元。对于在连续时间点获取大量数据的纵向研究，我们报告了一个新的时间相似性约束，以增加7倍的重叠关联重建的时间分辨率。通过这种策略，报告的设备实现了厘米级的视场，488 nm的半间距空间分辨率和15秒间隔的时间分辨率。对于第一次，我们报告的细菌生长的直接观察在15秒的时间间隔，通过跟踪恢复的图像的相位包裹，具有高相位灵敏度，如在干涉测量。我们还通过纵向干质量测量表征细胞生长，并在低浓度下进行快速细菌检测。对于药物筛选应用，我们展示了概念验证抗生素敏感性测试，并对抗生素诱导的抑制进行单细胞分析。高相位灵敏度、高时空分辨率和大视场的组合在现有的显微镜技术中是独特的。作为一个定量和小型化的平台，它可以改善在资源有限的环境中对微生物和其他生物标本的研究。
2021-12-15 eess.IV physics.ins-det physics.optics
Mapping the directional emission of quasi-two-dimensional photonic crystals of semiconductor nanowires using Fourier microscopy
控制纳米光子发射的色散和方向性是纳米光子学研究的主要目标之一。这种控制将允许开发高效的纳米源，即使是在单光子水平上。实现这一目标的方法之一是将发射耦合到周期性结构的布洛赫模式。在这里，我们提出了第一次测量的定向发射从纳米线光子晶体通过使用傅立叶显微镜。有了这项技术，我们有效地收集和解决纳米线的数值孔径内的显微镜物镜的定向发射。来自在每个纳米线中生长的异质结构的光发射由光子晶体的光子（布洛赫）模式控制。我们还证明，可以很容易地控制的方向性的发射渗透的光子晶体与高折射率的液体。这项工作为控制纳米线中的源的发射开辟了新的可能性。
2013-11-04 physics.optics
Core-Shell Nanoparticle Resonances in Near-Field Microscopy Revealed by Fourier-demodulated Full-wave Simulations
本研究利用傅里叶解调全波模拟揭示了核壳纳米粒子在 s-SNOM 中的近场光学响应，发现其几何与光学共振的相互作用会导致明显共振位移和大幅增强的散射，为预测内部异质纳米结构的光学特征提供了理论框架。
2024-08-22 physics.optics
Full-field Brillouin microscopy based on an imaging Fourier transform spectrometer
本文提出基于成像傅里叶变换光谱仪的全场布里渊显微方法，利用布里渊光谱对称性实现每秒40,000条光谱的高速采集，较共聚焦方法提升约三个数量级，并保持高空间分辨率。
2024-09-03 physics.optics
Point-spread function engineering enhances digital Fourier microscopy
虽然存在许多光学方法来探测生物或复杂流体样品的动力学，但近年来，数字傅立叶显微镜技术，如微分动态显微镜，已成为有效结合成像和散射方法的方法。在这里，我们演示，通过实验和模拟，如何点扩散函数工程可以用来扩展微分动态显微镜的范围。
2017-10-11 cond-mat.soft physics.optics
Holographic Digital Fourier Microscopy for Selective Imaging of Biological Tissue
本文提出了一种利用数字傅里叶全息术对生物组织等混浊介质中不同尺寸散射体进行选择性成像的方法。数字傅里叶显微镜（DFM）结合了傅里叶全息和高分辨率数字记录，在应用滤波以突出组织中感兴趣的散射体方面具有至关重要的灵活性。高分辨率数字全息图是傅里叶全息图帧的整理形成大尺寸复合全息图的结果。与应用于小尺寸物体成像的传统直接数字成像（例如相位显微镜）相比，预计DFM具有更高的信噪比。使用生物体模的傅立叶滤波能力的DFM的演示代表了本文的主要焦点。
2005-02-04 physics.bio-ph physics.optics
