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光纖成像:超出分辨率和速度的限制

2020-05-14 17:01:27 深圳市海譽光通訊技術有限公司. 閱讀

荷蘭納米光刻高級研究中心(Advanced Research Center for Nanolithography,縮寫:ARCNL)和阿姆斯特丹自由大學(Vrije Universiteit Amsterdam)的研究人員,開發出了一種緊湊的裝置,可通過超薄光纖進行快速、超高分辨率的顯微鏡探測。使用智能信號處理,他們突破了分辨率和速度的理論極限。由于該方法不需要任何特殊的熒光標記,因此對于醫學應用和納米光刻中三維3D結構的表征都具有相當前景。該研究結果發表在最近的《自然》雜志《光:科學與應用》分刊上。

論文主導及第一作者、生物光子學和醫學成像學院教授Amitonova,成立了一個納米成像和計量學研究小組,從事超細纖維內窺鏡檢查工作。

她說:“納米級成像受到所用光的波長的限制。有多種方法可以克服這一衍射極限,但它們通常需要大型顯微鏡和困難的加工程序?!边@些系統不適用于在生物組織的深層或其他難以到達的地方成像?!?/span>

為此,研究小組開發了一種方法來克服小型系統中的衍射極限,從而實現超分辨率的深組織成像

逆數據壓縮

該研究方法的關鍵在于,創建一個有意義的圖像并不需要數據樣本中的所有信息。她說:“想想數碼攝影,它使用JPEG壓縮格式來限制圖片中的數據量。壓縮可以刪除多達90%的圖像,但我們幾乎看不到它們之間的區別?!?“這是可行的,因為現實生活中的所有常規圖像都是稀疏的,這意味著大多數圖像點都不包含任何信息。在我們的測量中,我們通過僅獲取百分之十的信息以相反的方式使用這種稀疏信息的可用數據,并通過數學計算方法重建整個圖像?!?/span>

有斑點的光束

在傳統的顯微鏡檢查中,通常會逐點照射樣品以產生整個樣品的圖像。這需要大量時間,因為高分辨率圖像需要許多數據點。 Amitonova開發的方法使用一種能產生斑點激光束的光纖,該激光束可以以隨機方式同時照射樣品中的許多區域。然后將樣本反射的多面光收集為單個數據點,通過計算從中提取相關信息。她說: “在逐點照明的情況下,獲取256個數據點將得到256像素的圖像。使用我們的方法,相同數量的測量可以生成大約20倍像素的圖像,”“因此,壓縮成像要快得多,但是我們也證明了它能夠分辨比傳統衍射極限成像所能分辨的小兩倍以上的細節?!?/span>

無標簽感應

該方法的開發考慮了微創生物成像。但這對于納米光刻技術中的傳感應用也非常具有前途,因為它不需要熒光標記,而熒光標記是其他超分辨率成像方法所必需的。 她說:“光纖的緊湊性使其非常便于開發納米光刻的計量工具?;诠饫w的探頭可提供高分辨率和大視野的獨特組合,可輕松用于難以發展的地方。進一步開發這種方法將有望帶來更高的分辨率和速度。計量工具和醫學診斷是最有可能從該研究的發現中受益的領域?!?/span>

如圖所示超分辨率光纖成像示意圖。來自光纖的隨機斑點光束(綠色)多次照射整個樣品(右側)。壓縮感測重建無需熒光標記即可提供樣品的高分辨率圖像,從而在生物成像和納米平版印刷中提供納米級探測應用。

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