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《基于鬼成像算法的电子显微镜增强成像》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者： husisi
  • 发布时间：2023-05-22

  • 从肉眼只能观察到的毫米尺度，到光学显微镜能够达到的微米尺度，再到电子显微镜能够分辨的纳米尺度，显微成像技术让人类不断突破对微观世界的认知极限。但像差的存在会降低图像的质量和分辨率，是电子显微镜中一个常见的问题。为了改善这一现状，通常需要额外的相位和振幅控制。

    基于此，格拉斯哥大学Kallepalli实验室的Akhil Kallepalli所带领的研究团队从光学角度出发，设计了一种新的鬼成像算法，从而能够在较低的光通量照明下产生具有更高分辨率和对比度的图像，同时可以有效降低对样品的损伤。该研究以“Challenging Point Scanning across Electron Microscopy and Optical Imaging using Computational Imaging”为题发表在 Intelligent Computing 上(DOI: 10.34133/icomputing.0001)。

    如果想要更好地控制照明相关参数，通常需要采用光学调制手段。光学调制是将信息加载到光载波上，使光的参量包括振幅、频率、相位等，发生变化的过程。它可以用于光通信系统以及各种应用，比如光通讯、光谱学、光成像等。在光学领域中，调制器的种类很多，按调制方式可分为声光调制器、电光调制器、磁光调制器等。然而，在电子显微镜中则无法使用光调制器。因此，在电子显微镜领域，实现复杂的相位和振幅调控以减小相位像差实现连续成像仍然是一个挑战。

    因此，研究团队将鬼成像技术应用到电子显微镜中，并设计了一种新的算法来解决这个问题。该算法对跨越两个电磁区域(光波长和电子束)的非正交照明策略具有稳定性。同时在该系统中，可以使用数值光束传播技术来计算物体平面中光场的最终分布，从而实现无透镜和远场成像。因此，计算鬼成像可用于透射电子显微镜成像。

    在光学方法中，空间光调制器可以有效保证成像模式的正交性。但使用自然散射或高度受限的调制器时，则很难保证图案之间的正交性。该团队设计的新算法使模式在不考虑其正交性的情况下得到最佳利用，他们称这种新方法为“正交化鬼影成像”。

    研究团队首先通过一个类似于透射电子显微镜系统的光学实验验证了光照策略和算法对非正交性的稳定性。然后又采用了透射电子显微镜进行了测试。与传统的鬼成像算法相比，该团队所提出的算法所构建的图像具有更高的分辨率和对比度。新算法增强了在任意波长下的成像能力，并且对模式集的非正交性具有稳定性，可以有效地应用于光学显微镜和电子显微镜。

    在已发表的论文附录中，作者强调了一些与电子显微镜样品损伤有关的发现：使用他们的方法可以减少这种损伤。 在未来，团队计划进一步优化光学和电子显微镜成像的分辨率和速度。

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