Super-opløsning billeddannelse med diagonal prøvetagning

Den ladningskoblede enhed (CCD) revolutionerede fotografering ved at muliggøre indfangning af lys elektronisk, som anerkendt af Nobelprisen i fysik i 2009. Imidlertid, CCD/CMOS-pixelstørrelse er blevet en flaskehals for digital billedopløsning.

Problemet stammer fra en formel forskel mellem den rektangulære sensor og den cirkulære eller symmetriske linse. Peng Xi, lektor i biomedicinsk ingeniørvidenskab ved Peking Universitet, forklarer, "I et linsebaseret billedbehandlingssystem, linserne er for det meste cirkulær-symmetriske, alligevel er CCD/CMOS-sensorerne alle rektangulære. Dette resulterer i en cirkulær-symmetrisk overførselsfunktion i det optiske system, og en rektangulær dataindsamling i frekvensdomænet."

Målrettet mod forskellen, et internationalt forskerhold ledet af Xi undersøgte for nylig frekvensdomænets samplingskarakteristika ved CCD/CMOS-billeddannelse. Deres forskning, rapporteret i Avanceret fotonik , fundet, at højere frekvensdomæneinformation kan opnås i diagonal retning, når den optiske overførselsfunktion er større end rektanglets sidelængde. Xi forklarer, "Fourier-transformationen af ​​rektangulære CCD-data er stadig rektangulær, så den diagonale retning kan samle op til 1,4 gange højere frekvens end den vandrette eller lodrette retning." Baseret på dette princip, opløsningen kan nå 1,5 pixels, når prøver kombineres diagonalt, tættere end den konventionelle opløsning på to pixels.

Frekvensdomæneudvidelsesmikroskopi

Vejledt af denne indsigt, Xi's team foreslog en ny teknologi:frekvensdomæne diagonal forlængelse (FDDE) mikroskopi. At demonstrere, de etablerede en frekvensdomæne diagonal billeddannelsesplatform, baseret på et linseløst mikroskop med en komplementær metal-oxid-halvleder-chip (CMOS). Linsefri mikroskopi (LFM) bryder med konventionelle linsebaserede mikroskopiske teknikker ved at undgå anvendelse af linsen. Xi forklarer, "LFM er ikke begrænset af et linsesystem, og har den yderligere fordel af tilstrækkeligt store frekvenskomponenter."

For at muliggøre linsefri billeddannelse af en prøve ved forskellige vinkler, en 2-D detektor er monteret på en manuel roterende platform. En række billeder opnås i forskellige detektionsretninger og co-registreres. Den højfrekvente information, der er forbundet med de fine strukturer af de data, der er opnået fra forskellige retninger, udtrækkes derefter, sat sammen algoritmisk, og konverteret tilbage til det rumlige domæne for at opnå et superopløst billede.

Rige biologiske strukturer synlige

Biologiske prøver indeholder ofte rige strukturer, ideel til at teste ydeevnen af ​​FDDE. I en test, holdet afbildede en musehudprøve, erhvervelse af tre roterende holografiske råbilleder fra forskellige vinkler. Frekvensdomænerne for disse tre billeder blev derefter syntetiseret gennem FDDE, afslører fine detaljer, der ikke kan observeres med et enkelt holografisk billede, men klart løst via FDDE. I en anden test, holdet afbildede blodcelleudstrygninger. Den cirkulære struktur af de fleste blodlegemer, som forekommer underligt rektangulært i konventionel LFM, blev tydeligt skelnet som en ringform ved hjælp af FDDE-teknologien.

Efter at have demonstreret FDDE's ydeevne i linsefri mikroskopi, holdet demonstrerede, at princippet om beriget opløsning gennem diagonal sampling kan udvides til linsebaseret fotografering, når opløsning er begrænset af pixelstørrelse. I overensstemmelse med princippet om FDDE, de opnåede en opløsning 1,3 gange højere diagonalt end vandret.

Columbus æg?

Xi bemærkede, at FDDE er et "typisk Columbus' æg-type problem", hvor en løsning ser enkel ud i retrospekt:​​"Løsningen bliver meget ligetil, når man ser på forskellen mellem linse og CCD i frekvensdomænet." Xi forudser, at metoden kan anvendes på mange andre områder, hvor CCD'er anvendes, såsom teleskopbilleder, maskinsyn, og spektroskopi.