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使用彩色图像传感器的吉兆像素无透镜全息显微镜和层析成像。

Giga-pixel lensfree holographic microscopy and tomography using color image sensors.

机构信息

Electrical Engineering Department, University of California Los Angeles, Los Angeles, California, United States of America.

出版信息

PLoS One. 2012;7(9):e45044. doi: 10.1371/journal.pone.0045044. Epub 2012 Sep 12.

DOI:10.1371/journal.pone.0045044
PMID:22984606
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3440383/
Abstract

We report Giga-pixel lensfree holographic microscopy and tomography using color sensor-arrays such as CMOS imagers that exhibit Bayer color filter patterns. Without physically removing these color filters coated on the sensor chip, we synthesize pixel super-resolved lensfree holograms, which are then reconstructed to achieve ~350 nm lateral resolution, corresponding to a numerical aperture of ~0.8, across a field-of-view of ~20.5 mm(2). This constitutes a digital image with ~0.7 Billion effective pixels in both amplitude and phase channels (i.e., ~1.4 Giga-pixels total). Furthermore, by changing the illumination angle (e.g., ± 50°) and scanning a partially-coherent light source across two orthogonal axes, super-resolved images of the same specimen from different viewing angles are created, which are then digitally combined to synthesize tomographic images of the object. Using this dual-axis lensfree tomographic imager running on a color sensor-chip, we achieve a 3D spatial resolution of ~0.35 µm × 0.35 µm × ~2 µm, in x, y and z, respectively, creating an effective voxel size of ~0.03 µm(3) across a sample volume of ~5 mm(3), which is equivalent to >150 Billion voxels. We demonstrate the proof-of-concept of this lensfree optical tomographic microscopy platform on a color CMOS image sensor by creating tomograms of micro-particles as well as a wild-type C. elegans nematode.

摘要

我们报告了使用彩色传感器阵列(如 CMOS 成像器)进行吉像素无透镜全息显微镜和层析成像的方法,这些传感器阵列具有拜耳彩色滤光片图案。在不物理去除涂覆在传感器芯片上的这些彩色滤光片的情况下,我们合成了像素超分辨率无透镜全息图,然后对其进行重建,以实现约 350nm 的横向分辨率,对应于约 0.8 的数值孔径,视场约为 20.5mm(2)。这构成了一个具有约 0.7 亿有效像素的数字图像,在幅度和相位通道中(即,总共约 1.4 亿像素)。此外,通过改变照明角度(例如,±50°)并在两个正交轴上扫描部分相干光源,可以从不同视角创建同一标本的超分辨图像,然后对这些图像进行数字组合,以合成物体的层析图像。使用在彩色传感器芯片上运行的双轴无透镜层析成像仪,我们在 x、y 和 z 方向上分别实现了约 0.35 µm×0.35 µm×~2 µm 的 3D 空间分辨率,在样品体积约为 5mm(3)时,有效体素大小约为 0.03 µm(3),这相当于超过 1500 亿个体素。我们通过对微粒子以及野生型 C. elegans 线虫进行层析成像,证明了这种无透镜光学层析显微镜平台的概念验证。

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