发表于 | 显微镜检查

具有高时空分辨率的新型合成孔径显微镜

显微技术是生物学,医学,材料科学和质量控制等多个研究领域和行业中必不可少的工具。尽管存在许多显微镜技术,但每种技术都有其优缺点,主要是在空间分辨率,速度(每秒图像)和适用性方面。

例如,扫描电子显微镜可以捕获具有纳米分辨率的图像,但是它提供了较低的速度,并且对于某些样品是不切实际的。

其他更简单的基于光的显微镜技术(例如荧光显微镜)不适用于可视化活细胞或其他小结构,因为它们通常是透明且薄的,从而导致光吸收低。

科学家已经开发出一种称为合成孔径显微镜(SAM)的技术,该技术利用了光的一种固有特性,即相位。

此属性是指两个电磁波之间的相对延迟。当光波通过目标样品时,它们的相对相位会根据样品中每个点的光学特性和光的入射角而变化。

在SAM中,可以快速连续地以不同的入射角拍摄多相图像。然后对这些图像进行处理并合并以形成清晰的图像。

尽管SAM无疑是一种有前途的方法,但是当前的实现方式既缺乏空间分辨率,又缺乏帧速率,无法用于新兴应用。

为了解决这些问题,香港中文大学的周仁杰带领的一组研究人员最近开发了一种新颖的SAM方法。在他们的研究中,发表于 先进的光子学,团队提出了一种基于数字微镜设备(DMD)的SAM成像创新设置。

DMD是广泛用于商业数字投影仪中的电子组件。它们具有微镜矩阵,其方向可以单独进行,并可以通过电子方式进行高速控制。

研究人员使用两个DMD和合适的透镜,设计了一种方案,使激光束到达样品的角度每秒可以改变数千次。一旦光穿过样品,它将与原始激光器的一部分合并,产生称为干涉图的光图,该图会携带相位信息。

为了创建最终的相位图像,使用特殊设计的算法组合了针对不同入射角的多个干涉图。

研究人员使用各种类型的样品(例如纳米光栅,红细胞和癌细胞)测试了他们的新方法。

正如周书记所说,这一结果总体而言非常令人鼓舞, "使用我们基于DMD的方法,我们可以准确成像具有132 nm小特征的材料结构,量化红细胞膜的毫秒波动,并观察细胞结构对暴露于化学物质的动态变化。" 该技术也是无标签的,这意味着人们可以观察活细胞而不会受到荧光化学物质的伤害。

这种新方法的另一个显着优势是消除了激光散斑,这是在用激光照射样品时会发生的一种不必要的干扰。

使用多个干涉图来计算一个图像可以消除每个干涉图中斑点的随机影响,从而使最终的合成图像更加清晰。此外,只要达到期望的图像质量,就可以通过使用较少数量的干涉图来根据需要提高成像帧速率。

Zhou认为,在显微镜必不可少的各个领域,他们的SAM方法可能会改变游戏规则, "我们设想,我们的高速成像技术将在生物学和材料研究中找到应用,例如研究活细胞的运动和相互作用以及实时监测材料制造过程以进行质量控制。"

他还指出,使用更快的相机在速度方面仍有改进的空间,并且其方法的基本原理可以与不同的算法相适应,以构建3D成像系统。

资源: //spie.org/?SSO=1

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