Компактное оптическое устройство обеспечивает сверхвысокое разрешение изображения за пределами дифракционного предела
Исследователи из Китайского университета науки и технологий (USTC) представили планарное оптическое устройство, которое значительно расширяет возможности темнопольной микроскопии, достигая сверхразрешения изображения за пределами дифракционного предела. Работа была проведена под руководством профессора Чжан Доуго и опубликована в Трудах Национальной академии наук. Учёными представлено планарное фотонное устройство, которое объединяет рассеивающий слой, одномерный фотонный кристалл (1DPC) и металлическую пленку для создания спекл-структур темного поля. Это компактное устройство можно легко интегрировать в обычные микроскопы, устраняя необходимость в сложных оптических системах или точной настройке. Ключевое новшество заключается в использовании 1DPC, который действует как фильтр импульсного пространства для создания полых конусов спекл-шаблонов. Эти шаблоны служат источником освещения, позволяя получать высококонтрастные изображения с 1,55-кратным улучшением пространственного разрешения по сравнению с традиционными методами.
Рис. Схема планарного устройства для создания спекл-структур в темном поле. (Изображение из USTC). Кредит: Douguo Zhang et al.
Микроскопия темного поля — это мощный метод, используемый для визуализации неокрашенных образцов путем освещения их светом под косыми углами, что приводит к получению высококонтрастных изображений слабо рассеивающих объектов. Однако традиционная микроскопия темного поля ограничена дифракционным барьером и часто требует сложных, громоздких установок с точным выравниванием.
Учёными представлено планарное фотонное устройство, которое объединяет рассеивающий слой, одномерный фотонный кристалл (1DPC) и металлическую пленку для создания спекл-структур темного поля. Это компактное устройство можно легко интегрировать в обычные микроскопы, устраняя необходимость в сложных оптических системах или точной настройке.
Ключевое новшество заключается в использовании 1DPC, который действует как фильтр импульсного пространства для создания полых конусов спекл-шаблонов. Эти шаблоны служат источником освещения, позволяя получать высококонтрастные изображения с 1,55-кратным улучшением пространственного разрешения по сравнению с традиционными методами.
Исследователи продемонстрировали возможности устройства, визуализируя различные образцы, включая полистирольные шарики, нанопровода и биологические образцы. Используя алгоритм реконструкции Blind-SIM, они успешно разрешили соседние шарики с расстоянием от центра до центра всего 340 нм, что находится за пределами дифракционного предела. Устройство также поддерживает оптическую визуализацию поверхности, генерируя неустойчивые спеклы при настройке длины волны падающего света, что еще больше расширяет его применение.
Экспериментальная установка включала стандартный прямой микроскоп с объективом X40 (NA 0,6) и когерентный лазерный источник, соединенный с многомодовыми волокнами. Спекл-паттерны динамически изменялись путем вибрации волокон, что позволяло захватывать несколько кадров для реконструкции изображения. Результаты показали, что предложенная методика не только повышает разрешение, но и сохраняет высокую контрастность даже для изображений с большим полем зрения.
