Ever since the first microscope by Zacharias Janssen in the late 16th century, scientists have been inventing new types of microscopes for various tasks. Inventing a novel architecture demands years, if not decades, worth of scientific experience and creativity. In this work, we introduce Differentiable Microscopy ($\partial\mu$), a deep learning-based design paradigm, to aid scientists design new interpretable microscope architectures. Differentiable microscopy first models a common physics-based optical system however with trainable optical elements at key locations on the optical path. Using pre-acquired data, we then train the model end-to-end for a task of interest. The learnt design proposal can then be simplified by interpreting the learnt optical elements. As a first demonstration, based on the optical 4-$f$ system, we present an all-optical quantitative phase microscope (QPM) design that requires no computational post-reconstruction. A follow-up literature survey suggested that the learnt architecture is similar to the generalized phase contrast method developed two decades ago. Our extensive experiments on multiple datasets that include biological samples show that our learnt all-optical QPM designs consistently outperform existing methods. We experimentally verify the functionality of the optical 4-$f$ system based QPM design using a spatial light modulator. Furthermore, we also demonstrate that similar results can be achieved by an uninterpretable learning based method, namely diffractive deep neural networks (D2NN). The proposed differentiable microscopy framework supplements the creative process of designing new optical systems and would perhaps lead to unconventional but better optical designs.


翻译:自16世纪末Zacharias Janssen第一次显微镜以来,科学家们一直在为各种任务发明新型显微镜。发明一个新建筑需要多年,甚至几十年的科学经验和创造力。在这项工作中,我们引入了一个深层次的基于学习的设计范式,即差异显微镜(deeple\mu$),以帮助科学家设计新的可解释的显微镜结构。不同的显微镜第一模型,一个基于物理的通用光学系统,但在光学路径的关键位置使用可训练的深视光学元素。然后,我们用预先获得的数据来训练模型端对端到端的显性显性显性显性显性显性显性显性显性显性显性系统。我们在多位数据端端端端点上进行广泛的实验,即对所学的光学元素进行解释。我们通过光学的常规性显性显性显性显性模型来验证我们现有的光学模型。我们目前以光学模型为基础的显性显性显性显性显性模型,我们通过基于的光学模型来更精确地校准地校正化地校正所有光学方法。

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