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超分辨率高速光纤成像

admin| 2020-9-11 08:58

来自光纤的随机散斑光束(绿色)多次照亮整个样品(右侧)。压缩传感重建提供了样品的高分辨率图像,无需荧光标记,在生物成像和纳米光刻中都可提供纳米拷贝应用。 ...
  

如上图所示,来自光纤的随机散斑光束(绿色)多次照亮整个样品(右侧)。压缩传感重建提供了样品的高分辨率图像,无需荧光标记,在生物成像和纳米光刻中都可提供纳米拷贝应用。

阿姆斯特丹光刻高级研究中心(ARCNL)和阿姆斯特丹自由大学的研究人员开发了一种通过超薄光纤进行快速、超分辨率显微镜检查的紧凑装置。使用智能信号处理,他们突破了分辨率和速度的理论极限。由于该方法不需要特殊的荧光标记,因此在纳米光刻技术的医学应用和三维结构的表征方面都有着广阔的前景。近日研究结果发表在《自然Nature》杂志《光:科学与应用Light: Science & Applications》上。

“纳米级的成像受到所用光的波长的限制。有办法克服这种衍射极限,但他们通常需要大型显微镜和较为复杂的处理程序,”Lyuba Amitonova说,“这些系统不适合在生物组织的深层或其他难以触及的地方成像。”

Amitonova最近在光刻高级研究中心成立了一个纳米成像和计量研究小组。她还兼职于阿姆斯特丹大学,在那里她从事超薄光纤的内窥镜研究。AmitonovaBoer已经开发出一种克服小系统衍射极限的方法,使深部组织成像具有超分辨率。

逆数据压缩

Amitonova方法的关键在于,并非所有数据样本中的信息都需要用于创建有意义的图像。“想想数字摄影,它使用JPEG压缩格式来限制图片中的数据量。”她说:“这种压缩方法可以去除高达90%的图像,但我们几乎看不到差异。这是可行的,因为现实生活中所有的常规图像都是“稀疏”的,这意味着大多数图像点不包含任何信息。在我们的测量中,我们以相反的方式使用这种信息稀疏性,只获取10%的可用数据,并通过数学计算方法重建整个图像。”

散斑光束

在传统的显微镜中,样品常常被一点一点地照亮以形成整个样品的图像。这需要很多时间,因为高分辨率图像需要很多数据点。AmitonovaBoer开发的方法使用一种产生散斑激光束的光纤,该光纤允许以随机方式同时照亮样品中的许多区域。然后将样品反射的多面光采集为单个数据点,通过计算从中提取相关信息。“在逐点照明的情况下,获取256个数据点将得到256像素的图像。使用我们的方法,同样数量的测量会产生大约20倍像素的图像,” Amitonova说,“因此,压缩成像速度要快得多,但我们也证明,压缩成像能够分辨比传统衍射限制成像小两倍以上的细节。”

无标签传感

该方法是在考虑微创生物成像的基础上发展起来的。但由于它不需要荧光标记,在其他超分辨率成像方法中是必要的,因此在纳米光刻传感应用中也很有前景。Amitonova将在光刻高级研究中心进一步发展这一概念:“纤维的致密性使它们非常方便地开发纳米光刻中的计量工具。光纤探头提供了一种独特的高分辨率和大视场的组合,可以很容易地用于难以到达的地方。进一步发展我们的方法将有望产生更高的分辨率和速度。计量工具和医疗诊断是最有可能从我们的发现中受益的领域。”

来源:https://phys.org/news/2020-05-fiber-imaging-limits-resolution.html

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