一個(gè)跨學(xué)科的解決方案，用于增強(qiáng)電子和光學(xué)顯微鏡的高分辨率成像

盡管電子顯微鏡已經(jīng)可以揭示小到一納米的細(xì)節(jié)，但正在進(jìn)行的研究試圖突破限制圖像質(zhì)量的障礙，減少樣品上的光劑量?；兪请娮语@微鏡中常見的問題，會降低產(chǎn)生的圖像的分辨率和質(zhì)量。

在這些顯微鏡中需要額外的復(fù)雜相位和振幅控制。在格拉斯哥大學(xué)光學(xué)組工作的阿基爾-卡萊帕里（Kallepalli Lab）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國際研究小組著手解決這個(gè)問題。從光學(xué)角度出發(fā)，他們開發(fā)并測試了一種新的鬼魂成像算法，發(fā)現(xiàn)他們可以使用較低的通量照明產(chǎn)生具有改進(jìn)的分辨率和對比度的圖像，這可以減少樣品的損壞。

這項(xiàng)研究于12月21日發(fā)表在《智能計(jì)算》上。

為了實(shí)現(xiàn)對照明策略的更好控制，需要進(jìn)行光學(xué)調(diào)制。光學(xué)中的調(diào)制是改變光波的屬性以編碼信息的過程。它被用于光通信系統(tǒng)和各種應(yīng)用中，如光譜學(xué)和成像。許多種類的調(diào)制器在光學(xué)領(lǐng)域早就有了。

然而，調(diào)制器卻不能用于電子顯微鏡。在電子顯微鏡領(lǐng)域，要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的相位和振幅控制，以減少相位畸變，實(shí)現(xiàn)連續(xù)成像增強(qiáng)，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

作者將計(jì)算幽靈成像這一光學(xué)方法應(yīng)用于電子顯微鏡，并設(shè)計(jì)了一種新的算法來解決這一問題。該方法將投射圖案的知識和其測量的透射率倒置，以重建圖像。這可以用來測量用更復(fù)雜的空間圖案照射時(shí)的樣品的透射率。

在這個(gè)系統(tǒng)中，物體平面上的光場的結(jié)果形式可以用數(shù)值光束傳播技術(shù)來計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)無透鏡和遠(yuǎn)場的實(shí)現(xiàn)。因此，計(jì)算幽靈成像可用于透射電子顯微鏡成像。

在光學(xué)方法中，空間光調(diào)制器可用于確保成像模式的正交性。然而，在使用自然散射或高度有限的調(diào)制器時(shí)，很難保證圖案之間的正交性。作者設(shè)計(jì)的這種新算法使圖案得到最佳利用，而不管它們的正交性如何。他們把他們的新方法稱為 "正交化鬼魂成像"。

作者以兩種方式測試了他們的方法。首先，他們進(jìn)行了一個(gè)類似于透射電子顯微鏡系統(tǒng)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)測試了照明策略和算法對非正交性的穩(wěn)健性。之后，他們用透射電子顯微鏡測試了他們的方法。

實(shí)驗(yàn)表明，與最常見的在線鬼魂成像算法相比，作者的鬼魂成像算法產(chǎn)生了更高分辨率的圖像重建，對比度更好。新算法增強(qiáng)了在任何波長下的成像能力，并且對圖案集的非正交性具有魯棒性，能夠有效地應(yīng)用于光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡。

在他們論文的附錄中，作者強(qiáng)調(diào)了一些與電子顯微鏡樣品損壞有關(guān)的發(fā)現(xiàn)，使用他們的方法可以減少這種損壞。未來的發(fā)展可用于進(jìn)一步優(yōu)化光學(xué)和電子顯微鏡成像的分辨率或速度。

More information:Akhil Kallepalli et al, Challenging Point Scanning across Electron Microscopy and Optical Imaging using Computational Imaging,Intelligent Computing(2022).DOI: 10.34133/icomputing.0001

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