Междисциплинарное решение для повышения высокого

3 марта 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

корректура

от интеллектуальных вычислений

Хотя электронная микроскопия уже может выявить детали размером до одного нанометра, текущие исследования стремятся преодолеть барьеры, ограничивающие качество изображения и снижающие оптическую дозу на образцах. Аберрация — распространенная проблема в электронной микроскопии, которая может снизить разрешение и качество получаемых изображений.

В этих микроскопах необходимы дополнительные сложные средства управления фазой и амплитудой. Международная группа исследователей во главе с Ахилом Каллепалли (Kallepalli Lab), работающая в группе оптики Университета Глазго, приступила к решению этой проблемы. Работая с точки зрения оптики, они разработали и протестировали новый алгоритм создания призрачных изображений и обнаружили, что они могут создавать изображения с улучшенным разрешением и контрастностью, используя более низкий поток освещения, что может уменьшить повреждение образца.

Исследование было опубликовано 21 декабря в журнале Intelligent Computing.

Оптическая модуляция необходима для лучшего управления стратегиями освещения. Модуляция в оптике — это процесс изменения свойств световых волн для кодирования информации. Он используется в системах оптической связи и в различных приложениях, таких как спектроскопия и визуализация. Модуляторы многих видов уже давно доступны в области оптики.

Однако модуляторы для электронной микроскопии недоступны. До сих пор сложно добиться сложного контроля фазы и амплитуды, чтобы уменьшить фазовую аберрацию и обеспечить постоянное улучшение изображений в области электронной микроскопии.

Авторы применили вычислительную призрачную визуализацию (оптический подход) к электронной микроскопии и разработали новый алгоритм для решения этой проблемы. Этот подход инвертирует знания о проецируемых шаблонах и их измеренной передаче для реконструкции изображения. Это можно использовать для измерения коэффициента пропускания образца при освещении более сложными пространственными узорами.

В этой системе результирующая форма светового поля в плоскости объекта может быть рассчитана с использованием численных методов распространения луча, позволяющих реализовать как безлинзовую, так и дальнюю зону. Следовательно, компьютерное призрачное изображение можно использовать для визуализации с помощью просвечивающей электронной микроскопии.

В оптических методах для обеспечения ортогональности изображений можно использовать пространственные модуляторы света. Однако трудно гарантировать ортогональность между диаграммами направленности при использовании естественного рассеяния или сильно ограниченных модуляторов. Этот новый алгоритм, разработанный авторами, оптимально использует шаблоны независимо от их ортогональности. Они называют свой новый метод «ортогонализованной призрачной визуализацией».

Авторы проверили свой метод двумя способами. Сначала они провели оптический эксперимент, аналогичный системе просвечивающей электронной микроскопии. В этом эксперименте проверялась стратегия освещения и устойчивость алгоритма к неортогональности. После этого они проверили свой метод с помощью просвечивающей электронной микроскопии.

Эксперименты показали, что алгоритм создания призрачных изображений, разработанный авторами, обеспечивает реконструкцию изображения с более высоким разрешением и большей контрастностью по сравнению с наиболее распространенным онлайн-алгоритмом создания призрачных изображений. Новый алгоритм расширяет возможности визуализации на любой длине волны и устойчив к неортогональности наборов шаблонов, что позволяет эффективно применять его как в оптической, так и в электронной микроскопии.

В приложении к своей статье авторы освещают некоторые выводы, касающиеся повреждения образцов электронного микроскопа, которое можно уменьшить, используя их метод. Будущие разработки могут быть использованы для дальнейшей оптимизации разрешения или скорости визуализации как оптических, так и электронных микроскопов.