KR102640598B1 - Fourier ptychographic microscopy - Google Patents

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KR102640598B1 KR1020220086474A KR20220086474A KR102640598B1 KR 102640598 B1 KR102640598 B1 KR 102640598B1 KR 1020220086474 A KR1020220086474 A KR 1020220086474A KR 20220086474 A KR20220086474 A KR 20220086474A KR 102640598 B1 KR102640598 B1 KR 102640598B1
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Abstract

본 명세서는 푸리에 타이코그래픽 현미경에 관한 것으로, 보다 상세하게는 넓은 각도의 고해상도 최종 이미지를 획득할 수 있는 푸리에 타이코그래픽 현미경에 관한 것이다. 본 명세서의 일 실시예에 따른 푸리에 타이코그래픽 현미경은 관찰 대상인 샘플이 구비되는 샘플 플레인, 순차적으로 발광하며 다양한 각도로 상기 샘플을 조명하는 복수의 LED를 포함하는 LED 어레이, 조리개 함수(Pupil function) 및 푸리에 변환(Fourier transform)을 이용하여 상기 샘플로부터 산란된 광을 푸리에 플레인(Fourier plane)에 투영시키고, 복수의 관찰 이미지를 생성하는 대물 렌즈, 및 상기 복수의 관찰 이미지 및 목적 함수(objective function)를 통해 고해상도의 재구성 이미지를 획득하는 이미지 처리부를 포함한다.This specification relates to a Fourier tychographic microscope, and more specifically, to a Fourier tychographic microscope capable of acquiring a high-resolution final image at a wide angle. A Fourier tychographic microscope according to an embodiment of the present specification includes a sample plane on which a sample to be observed is provided, an LED array including a plurality of LEDs that sequentially emit light and illuminate the sample at various angles, an aperture function (Pupil function), and An objective lens that projects the light scattered from the sample onto a Fourier plane using Fourier transform and generates a plurality of observation images, and the plurality of observation images and an objective function It includes an image processing unit that acquires a high-resolution reconstructed image.

Description

푸리에 타이코그래픽 현미경{FOURIER PTYCHOGRAPHIC MICROSCOPY}FOURIER PTYCHOGRAPHIC MICROSCOPY}

본 명세서는 푸리에 타이코그래픽 현미경에 관한 것으로, 보다 상세하게는 넓은 각도의 고해상도 최종 이미지를 획득할 수 있는 푸리에 타이코그래픽 현미경에 관한 것이다.This specification relates to a Fourier tychographic microscope, and more specifically, to a Fourier tychographic microscope capable of acquiring a high-resolution final image at a wide angle.

3차원 정보를 획득하기 위한 3차원 현미경 기술은 크게 위상 정보를 복원하는 방식과, 라이트필드(Light field) 방식이 존재한다. 위상 정보를 복원하는 방식에는 푸리에 타이코그래픽(Fourier ptychographic), 디지털 홀로그래피, 또는 다중깊이측정(multi-heights measuring) 방식 등이 있다.3D microscopy technology for acquiring 3D information largely includes a method for restoring phase information and a light field method. Methods for restoring phase information include Fourier ptychographic, digital holography, or multi-heights measuring methods.

푸리에 타이코그래픽 현미경은 푸리에 공간에서 다양한 조명 각도로 여러 개의 저해상도 이미지를 취합하여 고해상도의 복합 이미지로 재구성한다. 푸리에 타이코그래픽 현미경은 일반적 현미경과 광학적 시스템 측면에서 유사하나, 광원부로 할로겐 램프가 아닌 복수의 LED를 사용한다.Fourier tychographic microscopy collects multiple low-resolution images at various illumination angles in Fourier space and reconstructs them into a high-resolution composite image. Fourier tychographic microscopes are similar to general microscopes in terms of optical systems, but use multiple LEDs rather than halogen lamps as the light source.

종래의 푸리에 타이코그래픽 현미경은 한 장의 이미지를 복원하기 위해서 수 십장 내지 많게는 수 백장의 관찰 이미지가 필요하고, 이들 개별적으로 촬영된 각 관찰 이미지는 복원알고리즘을 통해 복원 이미지로 복원된다. A conventional Fourier tychographic microscope requires tens to hundreds of observation images to restore one image, and each of these individually captured observation images is restored into a restored image through a restoration algorithm.

그러나, 이와 같은 종래의 푸리에 타이코그래픽 현미경은 수 백장의 관찰 이미지를 하나의 복원 이미지로 복원하므로, 많은 노이즈가 발생하고, 밝은 곳과 어두운 곳의 차이가 두드러지지 않는 (즉, 경계의 대비(contrast)가 작은) 문제가 있다.However, such a conventional Fourier tychographic microscope restores hundreds of observation images into one reconstructed image, so a lot of noise occurs and the difference between bright and dark areas is not noticeable (i.e., boundary contrast). ) is a small) problem.

또한, 종래의 푸리에 타이코그래픽 현미경은 조리개 기능을 갖는 조리개 함수(Pupil function)에 대하여 노이즈 고려 없이 이상적인 조리개 기능을 가정하여 재구성 이미지를 획득하였다. 따라서, 정확한 재구성 이미지를 획득하기 어려운 문제가 있으므로 노이즈를 고려한 조리개 함수의 필요성이 요구된다. In addition, the conventional Fourier tychographic microscope acquired a reconstructed image by assuming an ideal aperture function without considering noise for the aperture function. Therefore, since it is difficult to obtain an accurate reconstructed image, the need for an aperture function that takes noise into account is required.

본 명세서의 목적은 제3 손실 함수 및 제4 손실 함수를 통해 노이즈를 제거하고 콘트라스트(Contrast)를 향상시킬 수 있는 푸리에 타이코그래픽 현미경을 제공하는 것이다.The purpose of this specification is to provide a Fourier tychographic microscope that can remove noise and improve contrast through a third loss function and a fourth loss function.

또한, 본 명세서의 목적은 이상적인 조리개 함수를 가정하지 않고, 복수의 LED 각각에 대응되는 노이즈를 반영한 조리개 함수를 사용함으로써 높은 데이터 충실도(Data fidelity)를 가질 수 있는 푸리에 타이코그래픽 현미경을 제공하는 것이다.Additionally, the purpose of the present specification is to provide a Fourier tychographic microscope that can have high data fidelity by using an aperture function that reflects noise corresponding to each of a plurality of LEDs without assuming an ideal aperture function.

본 명세서의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 명세서의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 명세서의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 명세서의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The purposes of the present specification are not limited to the purposes mentioned above, and other purposes and advantages of the present specification that are not mentioned can be understood through the following description and will be more clearly understood by the examples of the present specification. Additionally, it will be readily apparent that the objects and advantages of the present specification can be realized by the means and combinations thereof indicated in the patent claims.

본 명세서의 일 실시예에 따른 푸리에 타이코그래픽 현미경은 관찰 대상인 샘플이 구비되는 샘플 플레인, 순차적으로 발광하며 다양한 각도로 상기 샘플을 조명하는 복수의 LED를 포함하는 LED 어레이, 조리개 함수(Pupil function) 및 푸리에 변환(Fourier transform)을 이용하여 상기 샘플로부터 산란된 광을 푸리에 플레인(Fourier plane)에 투영시키고, 복수의 관찰 이미지를 생성하는 대물 렌즈, 및 상기 복수의 관찰 이미지 및 목적 함수(objective function)를 통해 고해상도의 재구성 이미지를 획득하는 이미지 처리부를 포함한다.A Fourier tychographic microscope according to an embodiment of the present specification includes a sample plane on which a sample to be observed is provided, an LED array including a plurality of LEDs that sequentially emit light and illuminate the sample at various angles, an aperture function (Pupil function), and An objective lens that projects the light scattered from the sample onto a Fourier plane using Fourier transform and generates a plurality of observation images, and the plurality of observation images and an objective function It includes an image processing unit that acquires a high-resolution reconstructed image.

또한, 본 명세서의 일 실시예에 따른 푸리에 타이코그래픽 현미경은 재구성 이미지를 역 푸리에 변환(Inverse fourier transform)을 통해 시각화된 복원 이미지를 획득하는 이미지 복원부를 더 포함한다.In addition, the Fourier tychographic microscope according to an embodiment of the present specification further includes an image restoration unit that obtains a visualized reconstructed image through inverse Fourier transform of the reconstructed image.

또한, 본 명세서의 일 실시예에서 이미지 처리부는 목적 함수를 통해 손실을 최소화 하는 방향으로 상기 재구성 이미지를 획득한다.Additionally, in one embodiment of the present specification, the image processing unit acquires the reconstructed image in a way that minimizes loss through an objective function.

또한, 본 명세서의 일 실시예에서 목적 함수는 하기의 수학식 1로 표현된다.Additionally, in one embodiment of the present specification, the objective function is expressed by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

여기서, 은 목적 함수, 는 재구성 이미지, 는 조리개 함수, 는 복수의 관찰 이미지, 은 제1 손실 함수, 은 제2 손실 함수, 은 제3 손실 함수, 는 제4 손실 함수, ,, 각각은 가중치를 결정하는 계수를 의미한다.here, is the objective function, is the reconstructed image, is the aperture function, is a plurality of observation images, is the first loss function, is the second loss function, is the third loss function, is the fourth loss function, , , Each represents a coefficient that determines the weight.

또한, 본 명세서의 일 실시예에서 제1 손실 함수는 하기의 수학식 2를 통해 산출된다.Additionally, in one embodiment of the present specification, the first loss function is calculated through Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

여기서, 은 제1 손실 함수, 는 재구성 이미지, 는 조리개 함수, 는 관찰 이미지, 는 복원 이미지를 의미한다.here, is the first loss function, is the reconstructed image, is the aperture function, is the observation image, means restored image.

또한, 본 명세서의 일 실시예에서 제2 손실 함수는 하기의 수학식 3을 통해 산출된다.Additionally, in one embodiment of the present specification, the second loss function is calculated through Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

여기서, 는 노이즈를 포함한 조리개 함수, 는 노이즈를 고려하지 않는 이상적인 조리개 함수를 의미한다.here, is the aperture function including noise, means an ideal aperture function that does not consider noise.

또한, 본 명세서의 일 실시예에서 제3 손실 함수는 하기의 수학식 6을 통해 산출된다.Additionally, in one embodiment of the present specification, the third loss function is calculated through Equation 6 below.

[수학식 6][Equation 6]

여기서, 는 재구성 이미지를 의미하고, 는 재구성 이미지의 공간 도메인에 존재하는 구성요소를 의미한다.here, refers to the reconstructed image, and refers to components that exist in the spatial domain of the reconstructed image.

또한, 본 명세서의 일 실시예에서 제4 손실 함수는 하기의 수학식 7을 통해 산출된다.Additionally, in one embodiment of the present specification, the fourth loss function is calculated through Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

여기서, 는 재구성 이미지를 의미하고, a 및 b는 가 a+bi 형식의 복소수일 때, a=Re(U), b=Im(U)를 각각 의미한다.here, refers to the reconstructed image, a and b are When is a complex number in the form a+bi, it means a=Re(U) and b=Im(U), respectively.

본 명세서의 일 실시예에 따른 푸리에 타이코그래픽 현미경은 제3 손실 함수 및 제4 손실 함수를 통해 노이즈를 제거하고 콘트라스트(Contrast)를 향상시킬 수 있다.The Fourier tychographic microscope according to an embodiment of the present specification can remove noise and improve contrast through a third loss function and a fourth loss function.

또한, 본 명세서의 일 실시예에 따른 푸리에 타이코그래픽 현미경은 이상적인 조리개 함수를 가정하지 않고, 복수의 LED 각각에 대응되는 노이즈를 반영한 조리개 함수를 사용함으로써 높은 데이터 충실도(Data fidelity)를 가질 수 있다.Additionally, the Fourier tychographic microscope according to an embodiment of the present specification can have high data fidelity by using an aperture function that reflects noise corresponding to each of a plurality of LEDs without assuming an ideal aperture function.

도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 푸리에 타이코그래픽 현미경의 블록도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 푸리에 타이코그래픽 현미경의 구조를 나타낸 도면이다.
1 is a block diagram of a Fourier tychographic microscope according to an embodiment of the present specification.
Figure 2 is a diagram showing the structure of a Fourier tychographic microscope according to an embodiment of the present specification.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. While describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component without departing from the scope of the present invention. The term and/or includes any of a plurality of related stated items or a combination of a plurality of related stated items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is said to be "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected to or connected to the other component, but that other components may exist in between. It should be. On the other hand, when it is mentioned that a component is “directly connected” or “directly connected” to another component, it should be understood that there are no other components in between.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 푸리에 타이코그래픽 현미경의 블록도이고, 도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 푸리에 타이코그래픽 현미경의 구조를 나타낸 도면이다. FIG. 1 is a block diagram of a Fourier tychographic microscope according to an embodiment of the present specification, and FIG. 2 is a diagram showing the structure of a Fourier tychographic microscope according to an embodiment of the present specification.

도 1 및 도 2를 참조하면, 푸리에 타이코그래픽 현미경(100)은 샘플 플레인(110), LED 어레이(120), 대물 렌즈(130), 이미지 처리부(140), 이미지 복원부(150)를 포함한다.1 and 2, the Fourier tychographic microscope 100 includes a sample plane 110, an LED array 120, an objective lens 130, an image processing unit 140, and an image restoration unit 150. .

샘플 플레인(110)에는 관찰 대상물인 샘플이 구비된다. 샘플은 일반 사람의 눈으로 식별하기 어려운 미세 물체일 수 있다.The sample plane 110 is provided with a sample that is an object of observation. The sample may be a microscopic object that is difficult to identify with the average human eye.

LED 어레이(120)는 다양한 각도로 샘플을 조명하는 복수의 LED를 포함한다. 복수의 LED는 소정의 일정한 간격으로 배열될 수 있고, 순차적으로 발광하며 샘플에 빛을 조사한다.LED array 120 includes a plurality of LEDs that illuminate the sample at various angles. A plurality of LEDs may be arranged at predetermined intervals and emit light sequentially to irradiate light to the sample.

대물 렌즈(130)는 샘플의 상을 확대하며, LED 어레이로부터 샘플에 조사된 산란 정보를 이용하여 입사된 빛을 푸리에 변환(Fourier transform)하는 역할을 한다. 즉, 샘플로부터 산란된 광은 대물 렌즈(130)로 입사하여 푸리에 변환되고, 푸리에 플레인(Fourier plane, 131)에 투영되어 관찰 이미지가 생성된다.The objective lens 130 magnifies the image of the sample and serves to Fourier transform the incident light using scattering information irradiated to the sample from the LED array. That is, the light scattered from the sample enters the objective lens 130, is Fourier transformed, and is projected onto the Fourier plane 131 to generate an observation image.

이때, 생성된 관찰 이미지의 위치 및 종류는 LED의 발광 위치 또는 광 입사 각도에 따라 서로 다를 수 있으며, 하나의 LED 발광에 대하여 하나의 관찰 이미지가 대응되어 생성된다. 따라서, 복수의 LED 발광에 따라 복수의 관찰 이미지가 생성될 수 있다. At this time, the location and type of the generated observation image may be different depending on the emission position of the LED or the angle of light incidence, and one observation image is generated corresponding to the emission of one LED. Accordingly, a plurality of observation images can be generated according to the emission of a plurality of LEDs.

또한, 대물 렌즈 배율에 비례하여 한 번에 얻을 수 있는 관찰 이미지의 스펙트럼이 제한된다. 즉, 대물 렌즈의 배율이 고배율일수록 샘플이 크게 확대되어 관찰할 수 있는 영역이 줄어들고, 대물 렌즈의 배율이 저배율일수록 샘플이 작게 확대되어 관찰할 수 있는 영역이 늘어난다. 따라서, 대물 렌즈가 고배율인 경우 스펙트럼은 제한되나, 고해상도의 관찰 이미지를 획득할 수 있다.Additionally, the spectrum of observed images that can be obtained at one time is limited in proportion to the objective lens magnification. In other words, the higher the magnification of the objective lens, the larger the sample is magnified and the observable area is reduced, and the lower the objective lens magnification, the smaller the sample is magnified and the observable area increases. Therefore, when the objective lens has a high magnification, the spectrum is limited, but high-resolution observation images can be obtained.

또한, 각 관찰 이미지는 조리개 함수(Pupil function)에 의해 원형의 모양으로 나타날 수 있다. 조리개 함수는 현미경 촬영에 따른 촬영 가능 영역을 정의해주는 함수로써, 영역의 내부는 1로, 영역의 외부는 0으로 표현될 수 있다. 조리개 함수의 상세한 설명은 수학식 4 및 수학식 5를 참조하여 후술하도록 한다.Additionally, each observed image may appear in a circular shape depending on the aperture function. The aperture function is a function that defines the imageable area according to microscope photography, and the inside of the area can be expressed as 1 and the outside of the area as 0. A detailed description of the aperture function will be described later with reference to Equation 4 and Equation 5.

이미지 처리부(140)는 복수의 관찰 이미지 및 목적 함수(objective function)를 통해 고해상도의 재구성 이미지를 획득한다.The image processing unit 140 acquires a high-resolution reconstructed image through a plurality of observation images and an objective function.

목적 함수는 재구성 이미지를 획득하기 위해 이미지 모델을 통해 사용되는 손실 함수로써, 이미지 처리부(140)는 목적 함수를 최소화하는 방향으로 재구성 이미지를 획득한다. The objective function is a loss function used through an image model to obtain a reconstructed image, and the image processing unit 140 acquires the reconstructed image in a direction that minimizes the objective function.

구체적으로, 목적 함수는 하기의 수학식 1로 표현될 수 있다.Specifically, the objective function can be expressed as Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

여기서, 은 목적 함수, 는 재구성 이미지, 는 조리개 함수, 는 복수의 관찰 이미지, 은 제1 손실 함수, 은 제2 손실 함수, 은 제3 손실 함수, 는 제4 손실 함수, ,, 각각은 가중치를 결정하는 계수를 의미한다.here, is the objective function, is the reconstructed image, is the aperture function, is a plurality of observation images, is the first loss function, is the second loss function, is the third loss function, is the fourth loss function, , , Each represents a coefficient that determines the weight.

복수의 관찰 이미지를 목적 함수의 입력으로 했을 때, 이미지 처리부(140)는 목적 함수를 최소화하는 재구성 이미지 및 조리개 함수 값을 출력한다. 목적 함수는 제1 손실 함수 내지 제4 손실 함수의 합으로 구성되며, 각각의 손실이 최소화되는 경우 최적의 재구성 이미지 및 조리개 함수를 획득할 수 있다.When a plurality of observation images are input to the objective function, the image processing unit 140 outputs a reconstructed image and an aperture function value that minimize the objective function. The objective function is composed of the sum of the first to fourth loss functions, and when each loss is minimized, the optimal reconstructed image and aperture function can be obtained.

제1 손실 함수는 하기의 수학식 2를 통해 산출된다.The first loss function is calculated through Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

여기서, 은 제1 손실 함수, 는 재구성 이미지, 는 조리개 함수, 는 관찰 이미지, 는 복원 이미지를 의미한다. 수학식 2에 따르면, 복원 이미지와 관찰 이미지의 차이가 작을수록 제1 손실 함수는 작은 손실값을 갖는다.here, is the first loss function, is the reconstructed image, is the aperture function, is the observation image, means restored image. According to Equation 2, the smaller the difference between the restored image and the observed image, the smaller the first loss function has a loss value.

제2 손실 함수는 하기의 수학식 3을 통해 산출된다. The second loss function is calculated through Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

여기서, 는 노이즈를 포함한 조리개 함수, 는 노이즈를 고려하지 않는 이상적인 조리개 함수를 의미한다. 제2 손실 함수는 조리개 함수에 대한 손실 함수이며, 본 명세서의 노이즈를 고려한 조리개 함수는 아래의 수학식 4를 통해 산출될 수 있다.here, is the aperture function including noise, means an ideal aperture function that does not consider noise. The second loss function is a loss function for the aperture function, and the aperture function considering noise in this specification can be calculated through Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

여기서, 는 노이즈를 의미한다.here, means noise.

또한, 노이즈를 고려하지 않는 이상적인 조리개 함수 는 수학식 5로 표현될 수 있다.Additionally, the ideal aperture function that does not consider noise Can be expressed as Equation 5.

[수학식 5][Equation 5]

여기서, r은 조리개의 반경, 즉 관찰 영역의 반지름을 의미하고, p는 관찰 영역의 중심점을 의미한다. 따라서, 노이즈를 고려하지 않는 조리개 함수는 관찰 영역의 중심점으로부터의 거리와 조리개의 반경을 비교하여 관찰 영역의 중심점으로부터의 거리가 조리개의 반경보다 같거나 작으면 내부 영역으로 1의 값을 갖고, 관찰 영역의 중심점으로부터의 거리가 조리개의 반경보다 크면 외부 영역으로 0의 값을 갖는다.Here, r means the radius of the aperture, that is, the radius of the observation area, and p means the center point of the observation area. Therefore, the aperture function does not take noise into account. The distance from the center point of the observation area is compared with the radius of the aperture. If the distance from the center point of the observation area is equal to or smaller than the radius of the aperture, the inner area has a value of 1, and the distance from the center point of the observation area is the radius of the aperture. If it is larger than the radius, it is the outer area and has a value of 0.

한편, 본 명세서에서 노이즈는 LED 발광 위치에 따라 서로 다른 값을 가질 수 있다. 따라서, 조리개 함수 또한 LED 발광 위치에 따라 서로 다른 값을 가질 수 있다.Meanwhile, in this specification, noise may have different values depending on the LED emission position. Accordingly, the aperture function may also have different values depending on the LED emission position.

이와 같이, 본 명세서의 푸리에 타이코그래픽 현미경은 이상적인 조리개 함수를 가정하지 않고, 복수의 LED 각각에 대응되는 노이즈를 반영한 조리개 함수를 사용함으로써 높은 데이터 충실도(Data fidelity)를 가질 수 있다. As such, the Fourier tychographic microscope of the present specification can have high data fidelity by using an aperture function that reflects noise corresponding to each of a plurality of LEDs without assuming an ideal aperture function.

제3 손실 함수 및 제4 손실 함수는 조정(Regulation) 텀(term)으로, 토탈 베리에이션(total variation)을 통해 특정 값 주변의 변화하는 변량을 일정한 값으로 유지하여 노이즈를 제거하기 위한 항목이다.The third loss function and the fourth loss function are regulation terms, which are items for removing noise by maintaining the changing variables around a specific value at a constant value through total variation.

제3 손실 함수는 하기의 수학식 6을 통해 산출된다.The third loss function is calculated through Equation 6 below.

[수학식 6][Equation 6]

여기서, U는 재구성 이미지를 의미하고, 는 재구성 이미지의 공간 도메인에 존재하는 구성요소를 의미한다.Here, U means reconstructed image, and refers to components that exist in the spatial domain of the reconstructed image.

또한, 제4 손실 함수는 하기의 수학식 7을 통해 산출된다.Additionally, the fourth loss function is calculated through Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

여기서, U는 재구성 이미지를 의미하고, a 및 b는 U가 a+bi 형식의 복소수일 때, a=Re(U), b=Im(U)를 각각 의미한다.Here, U means the reconstructed image, and a and b mean a=Re(U) and b=Im(U), respectively, when U is a complex number in the form a+bi.

이와 같이, 본 명세서의 푸리에 타이코그래픽 현미경은 목적 함수에 조정 텀인 제3 손실 함수 및 제4 손실 함수를 포함함으로써, 노이즈 제거를 통해 이미지 처리부(140)가 고해상도의 재구성 이미지를 획득할 수 있다.As such, the Fourier tychographic microscope of the present specification includes a third loss function and a fourth loss function, which are adjustment terms, in the objective function, so that the image processor 140 can obtain a high-resolution reconstructed image through noise removal.

이미지 복원부(150)는 재구성 이미지를 역 푸리에 변환(Inverse fourier transform)을 통해 시각화된 복원 이미지를 획득한다. 이미지 복원부(150)는 튜브 렌즈(Tube lens) 및 카메라를 포함할 수 있으며, 사용자는 시각화된 복원 이미지를 통해 해당 이미지를 식별할 수 있다.The image restoration unit 150 obtains a visualized reconstructed image through inverse Fourier transform on the reconstructed image. The image restoration unit 150 may include a tube lens and a camera, and the user can identify the corresponding image through the visualized restored image.

복원 이미지는 하기의 수학식 8에 의해 산출될 수 있다.The restored image can be calculated using Equation 8 below.

[수학식 8][Equation 8]

여기서, 는 복원 이미지, 는 재구성 이미지, 는 조리개 함수를 의미한다.here, is the restored image, is the reconstructed image, means the aperture function.

위와 같이, 본 명세서의 일 실시예에 따른 푸리에 타이코그래픽 현미경은 제3 손실 함수 및 제4 손실 함수를 통해 노이즈를 제거하고 콘트라스트(Contrast)를 향상시킬 수 있다.As above, the Fourier tychographic microscope according to an embodiment of the present specification can remove noise and improve contrast through the third loss function and the fourth loss function.

또한, 본 명세서의 일 실시예에 따른 푸리에 타이코그래픽 현미경은 이상적인 조리개 함수를 가정하지 않고, 복수의 LED 각각에 대응되는 노이즈를 반영한 조리개 함수를 사용함으로써 높은 데이터 충실도(Data fidelity)를 가질 수 있다.Additionally, the Fourier tychographic microscope according to an embodiment of the present specification can have high data fidelity by using an aperture function that reflects noise corresponding to each of a plurality of LEDs without assuming an ideal aperture function.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.As described above, the present invention has been described with reference to the illustrative drawings, but the present invention is not limited to the embodiments and drawings disclosed herein, and various modifications may be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. It is obvious that transformation can occur. In addition, although the operational effects according to the configuration of the present invention were not explicitly described and explained while explaining the embodiments of the present invention above, it is natural that the predictable effects due to the configuration should also be recognized.

Claims (8)

관찰 대상인 샘플이 구비되는 샘플 플레인;
순차적으로 발광하며 다양한 각도로 상기 샘플을 조명하는 복수의 LED를 포함하는 LED 어레이;
조리개 함수(Pupil function) 및 푸리에 변환(Fourier transform)을 이용하여 상기 샘플로부터 산란된 광을 푸리에 플레인(Fourier plane)에 투영시키고, 복수의 관찰 이미지를 생성하는 대물 렌즈;
상기 복수의 관찰 이미지 및 목적 함수(objective function)를 통해 고해상도의 재구성 이미지를 획득하는 이미지 처리부 및;
재구성 이미지를 역 푸리에 변환(Inverse fourier transform)을 통해 시각화된 복원 이미지를 획득하는 이미지 복원부를 포함하고
상기 목적 함수는 하기의 수학식 1로 표현되는
푸리에 타이코그래픽 현미경

[수학식 1]

여기서,은 목적 함수, 는 재구성 이미지, 는 조리개 함수, 는 복수의 관찰 이미지, 은 제1 손실 함수, 은 제2 손실 함수, 은 제3 손실 함수, 는 제4 손실 함수, , , 각각은 가중치를 결정하는 계수를 의미한다.
a sample plane where a sample to be observed is provided;
An LED array including a plurality of LEDs that sequentially emit light and illuminate the sample at various angles;
An objective lens that projects light scattered from the sample onto a Fourier plane using an aperture function and Fourier transform and generates a plurality of observation images;
an image processor that acquires a high-resolution reconstructed image through the plurality of observation images and an objective function;
It includes an image restoration unit that obtains a visualized restored image through inverse fourier transform of the reconstructed image;
The objective function is expressed as Equation 1 below:
Fourier tychographic microscopy

[Equation 1]

here, is the objective function, is the reconstructed image, is the aperture function, is a plurality of observation images, is the first loss function, is the second loss function, is the third loss function, is the fourth loss function, , , Each represents a coefficient that determines the weight.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 이미지 처리부는
상기 목적 함수를 통해 손실을 최소화 하는 방향으로 상기 재구성 이미지를 획득하는
푸리에 타이코그래픽 현미경
According to paragraph 1,
The image processing unit
Obtaining the reconstructed image in a direction that minimizes loss through the objective function
Fourier tychographic microscopy
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1 손실 함수는
하기의 수학식 2를 통해 산출되는 푸리에 타이코그래픽 현미경.

[수학식 2]


여기서, 은 제1 손실 함수, 는 재구성 이미지, 는 조리개 함수, 는 관찰 이미지, 는 복원 이미지를 의미한다.
According to paragraph 1,
The first loss function is
Fourier tychographic microscope calculated through Equation 2 below.

[Equation 2]


here, is the first loss function, is the reconstructed image, is the aperture function, is the observation image, means restored image.
제1항에 있어서,
상기 제2 손실 함수는
하기의 수학식 3을 통해 산출되는 푸리에 타이코그래픽 현미경.

[수학식 3]


여기서, 는 노이즈를 포함한 조리개 함수, 는 노이즈를 고려하지 않는 이상적인 조리개 함수를 의미한다.
According to paragraph 1,
The second loss function is
Fourier tychographic microscope calculated through Equation 3 below.

[Equation 3]


here, is the aperture function including noise, means an ideal aperture function that does not consider noise.
제1항에 있어서,
상기 제3 손실 함수는
하기의 수학식 6을 통해 산출되는 푸리에 타이코그래픽 현미경.

[수학식 6]


여기서, 는 재구성 이미지를 의미하고, 는 재구성 이미지의 공간 도메인에 존재하는 구성요소를 의미한다.
According to paragraph 1,
The third loss function is
Fourier tychographic microscope calculated through Equation 6 below.

[Equation 6]


here, refers to the reconstructed image, and refers to components that exist in the spatial domain of the reconstructed image.
제1항에 있어서,
상기 제4 손실 함수는
하기의 수학식 7을 통해 산출되는 푸리에 타이코그래픽 현미경.

[수학식 7]


여기서, 는 재구성 이미지를 의미하고, a 및 b는 가 a+bi 형식의 복소수일 때, a=Re(U), b=Im(U)를 각각 의미한다.


According to paragraph 1,
The fourth loss function is
Fourier tychographic microscope calculated through Equation 7 below.

[Equation 7]


here, refers to the reconstructed image, a and b are When is a complex number in the form a+bi, it means a=Re(U) and b=Im(U), respectively.


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