Spektral billeddannelse med superopløsning til at overvåge dynamiske processer i realtid

Spektroskopi er studiet af samspillet mellem lys og stof, tilbyder adskillige vigtige anvendelser inden for områder lige fra materialevidenskab til astronomi. Et fælles mål for spektroskopi er forbedret spektroskopisk opløsning for at give mere detaljerede oplysninger om dynamiske processer. Multikanalspektrometre er meget brugt i spektroskopi, fordi de er kompakte, stærk, og tag billeder i høj hastighed. Imidlertid, opløsningen af ​​multikanalspektrometre er begrænset. Forbedring af denne opløsning er i øjeblikket begrænset af manglende evne til at gøre indgangsspaltens bredde mindre end pixelstørrelsen; kendt som "pixel Nyquist-grænsen."

Forskere ved Osaka University har for nylig udviklet en måde at øge opløsningen af ​​multikanalspektrometre ud over pixel Nyquist-grænsen ved hjælp af Moiré-mønstre. Et Moiré-mønster er et interferensmønster skabt mellem to ens overlappende mønstre med lidt forskellig tonehøjde, forskydning, eller rotation.

"Vi brugte Moiré-effekten til at forbedre den spektrale opløsning i et multikanalspektrometer, " siger Tsuyoshi Konishi, hovedforfatter af den nyligt offentliggjorte rapport om undersøgelsen. "Dette gjorde det muligt for os at opnå opløsning ud over pixel Nyquist-grænsen i et multikanalspektrometer for første gang."

Holdet skabte Moiré-effekten i et kommercielt multikanal-spektrometer ved hjælp af et par spalte-arrays med perioder på 100 og 180 μm placeret ved indgangen og udgangen af ​​spektrometeret. Overlapningen af ​​mønstrene fra parret af spalte-arrays skabte en Moiré-bryn. Billedsensoren på spektrometeret havde en pixel Nyquist-grænse på 50 nm, så opløsningen skulle være mindre end denne værdi. Moiré-kanten genereret af det modificerede spektrometer var i stand til at løse en bølgelængdeændring på kun 0,31 nm, overvinde pixel Nyquist-grænsen. Det betyder, at spektrometerets spektrale opløsning blev forbedret med en faktor på mere end ti fra dets oprindelige opløsning på 4,63 nm.

Fremgangsmåden blev testet med både en enkelt-bølgelængde lyskilde og en polykromatisk lyskilde bestående af to laserstråler med forskellig bølgelængde. I begge tilfælde den genererede Moiré-kant gav opløsning ud over pixel Nyquist-grænsen. Vigtigt, den udviklede tilgang er enkel og kan tilpasses til forskellige situationer.

"At overvinde pixel-Nyquist-grænsen for et multikanal-spektrometer ved hjælp af Moiré-frynsen genereret af et par passende placerede spalte-arrays skulle lette superopløsningsbilleddannelse af dynamiske processer, " Konishi forklarer. "Vi forestiller os, at multikanalspektrometre med variabel spektral opløsning vil blive udviklet baseret på dette koncept."

Denne forskning repræsenterer et vigtigt skridt mod målet om højopløsningsovervågning i realtid af dynamiske hændelser inden for områder lige fra biologi til astronomi.