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澳门新葡www.8455.com最新网站席鹏课题组在对角超分辨成像方面取得重要进展

2020-06-30

CCD的发明对人类生活带来极大影响,它彻底改变了人类探测图像信号的方法。这一技术也因此获得2009年诺贝尔物理学奖。在CCD成像中,由于其结构被设计为行列传输,因此矩形正交像素最为常见。而在光学成像中,由于透镜的制备工艺要求,普遍运用到了圆形的透镜。这使得光学的点扩展函数和光学传递函数均呈现圆形特征。

近日,澳门新葡8455最新网站席鹏课题组对CCD成像的频域采样特性进行了深入研究。CCD的像素排列使其傅里叶域自然呈现了矩形结构;当光学传递函数小于矩形的边长时,在对角线方向可以获取更高的频域信息,从而实现对角频域增强。利用这一原理,将采样进行多次对角拼合,可以获得约1.4倍的分辨率提升。相关研究近日发表在国内光学领域知名学术期刊Advanced Photonics(原文链接:https://doi.org/10.1117/1.AP.2.3.036005 )。

为了验证这一技术,研究者首先进行了无透镜显微成像。传统成像通过透镜将物体的实像传递到CCD平面进行成像,而无透镜显微成像技术直接将物体放置在CCD器上实现成像。无透镜成像是一种新兴的基于同轴全息的光学成像技术,它具有成本低、体积小的优点,且不受传统透镜成像的空间带宽积的限制,可以实现大视场下的高分辨率成像,因此在病理切片成像领域具有良好的应用前景,并有助于提高欠发达地区的医疗检测水平。然而,无透镜显微成像的分辨率主要受限于探测器的像素尺寸,而传统的XY平移像素超分辨显微技术需要精度较高的电动平移台,不利于降低设备成本和拓展应用领域。

为了验证技术的性能,研究人员搭建了频域对角线扩展成像平台,以2.2微米像素大小的CMOS作为探测器的无透镜显微镜,并将探测器固定在手动旋转平台上。利用对角线方向上频域范围是水平方向1.4倍的特性,仅利用物理手段将探测器对角线方向上的分辨率提高到1.4倍,分辨率达到1.5像素,而传统理论中,该系统的分辨率被限制在2个像素。在这个理论基础上,通过将探测器进行旋转,在不同相对角度上对样本进行无透镜成像。再通过傅里叶域融合,将不同方向上采集的原始图像的高频信息融合,并形成一张超分辨图像。研究人员首先测试了分辨率板的成像效果,实验证明FDDE有利于将分辨率提高1.3倍左右。随后研究人员利用FDDE对小鼠上皮切片和血细胞涂片进行了成像。在血细胞成像实验中,利用FDDE技术可以清楚地分辨出大多数血细胞的环形结构。同时,FDDE技术还应用到了传统的镜头成像当中,并在对焦方向测量到了1.4倍的分辨率增强。


图1 利用FDDE原理实现的超越正交采样分辨率。样品为血细胞涂片。

席鹏课题组近年来致力于超分辨技术的开发,如:1) 利用反射驻波轴向超分辨技术(MEANS)发表在Light: Science and Applications期刊,并得到Nature Photonics的研究亮点评价(https://www.nature.com/articles/nphoton.2016.130);2) 利用偏振特性的荧光偶极子超分辨技术(SDOM)发表在Light: Science and Applications期刊,并得到Nature Methods的高度评价(https://www.nature.com/articles/nmeth.4061);3) 开发了减帧SIM技术来提升结构光成像的速率2倍以上(IEEE TIP2018);4) 将荧光偏振与结构光照明显微结合,实现了超分辨在偏振和空间两个维度上的提升。相关工作发表在Nature Communications期刊(https://www.nature.com/articles/s41467-019-12681-w ),并得到Nature Methods的研究亮点评价(https://www.nature.com/articles/s41592-019-0682-6)。  

北京大学席鹏研究员是本工作的通讯编辑,第一编辑姜杉博士在北京大学进行博士后研究。本文实验由北京大学博士生关美玲、徐鑫舳、清华大学博士后吴嘉敏、悉尼科技大学博士生房国成合作完成。本工作受到国家自然科学基金委、科技部、北京市科委杰出青年科学基金、江苏省自然科学基金的资助。

 

 
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