デジタル全波面ホログラフィック顕微鏡による回折限界側面分解能の克服による低コスト化

ホログラフィック顕微鏡は、細胞の詳細な解析に対する一般的な定量的ツールです。高分解能のイメージセンサーの開発により、ホログラムをデジタルで記録することができ、細胞構造を破壊せずに生きた細胞の非侵襲的な観察と解析が可能になりました。

デジタルホログラフィック（DH）顕微鏡は、効果的なラベルフリーの生物医学画像技術の一つで、試料の振幅と位相分布に完全にアクセスできます。

微小構造物や生きた細胞の生化学的、力学的、形態学的特性を、所望のDH条件を開発し各種イメージングシステムと一体化させることで同時に研究することができます。

DH顕微鏡で平面波照明がしばしば用いられます。画像セットアップの側面分解能は、数値絞込み率と波長によって制限されます。波長が短い光源（X線または紫外線）は側面分解能を向上させることができますが、生体組織を含む特定の試料を損傷させることがあります。

大きい数値絞り口径を持つ顕微鏡では、大きい数値絞りが可能となります。しかし、それにより焦点深度と作業距離が制限されます。

構造化照明（SI）は、周期的なパターンで試料を照明することにより、イメージングシステムの解像度を高める有望な技術です。しかし、このアプローチは時間がかかり、機械的振動が時間的ノイズレベルを増加させることがあります。

一般的なパス幾何学がSIの実装に役立ちますが、長時間にわたってパラメータが安定することを保証します。

従来のDH顕微鏡システムは、ダブルレンズとグレーティングシステムを用いたSIアプローチを組み合わせています。提案された方法論は、双眼鏡干渉計に基づく改良型コモンパス構成です。

改良された構成により、グレーティングで生成された構造化光を使用して、DH技術の解像度を向上させることができます。従来の照明（CI）と合成照明（SI）ホログラムの2つのオフアクシス取得を含む方法論を提案しています。

構造化光は高周波成分を可視スペクトルにもたらします。したがって、SIホログラムには低周波成分と高周波情報が混合されています。CIホログラムのスペクトルを除去して、SIホログラムスペクトルの高周波成分と低周波情報が重ならないようにしました。

ホログラムの振幅は、数値オートフォーカス技術と角度スペクトル伝播（ASP）法を用いて計算されます。CIパターンとSIパターンの2つの画像をキャプチャした後、ホログラムの角度スペクトルをデジタルフィルタリングして各試料の高解像度イメージを作成します。

コンパクトディスクによって提供されるSIパターンとフレネルバイプリズムによって確立された共通経路オフアクシス幾何学を組み合わせて振幅および位相分布のイメージング方法を開発し、空間分解能が2倍に向上して高い安定性を実現します。

標準セルに対する実験結果により、この提案された方法が細胞の双凹構造を正常に検出し、従来のイメージングシステムに比べて予測される解像度の向上を確認することができました。

標準試料を用いた横方向の分解能の予測実験により、バイプリズムベースのDH顕微鏡のSIシステムがCIDHシステムよりも2倍の品質因子で優れていることが示されました。

統合SIおよびバイプリズム干渉計の設定は、グレーティングを移動することなく2つのホログラムが必要であり、その共通経路設計は多重撮影技術に非常に安定したシステムを提供します。

バイプリズムによって偏向された波の光路長が近く、強度が同じであるため、高いコントラストと線形の縞模様が形成され、測定の正確性が向上しています。

提案された手法は、再構築された位相マップに二次位相因子の影響を無視し、両方のビームに同じ曲率を与えることで、不要で相関のない位相変動を除去するための効果的な技術です。そのため、フレネルバイプリズムベースの共通経路構成は望ましいです。

さらに、この定量的DHシステムは、調整可能なフリンジ変調、インストールの容易さ、および低コストのため、高分解能3D位相イメージングに適しています。

提案されたDH技術は、標準DH顕微鏡よりも高い解像度でライブ細胞のより詳細なイメージングを提供できます。さらに、さまざまな光学顕微鏡とリンクして、ラベルフリーの多段階イメージングを生成することができます。 $アルファベット C(GOOG.US)$ $アップル(AAPL.US)$ $ウィミ･ホログラム･クラウド(WIMI.US)$