Свет от гелий-неонового лазера на длине волны 633 нм поляризуется поляризационным светоделителем (PBS), затем пространственно фильтруется и расширяется для заполнения апертуры SLM с использованием апертуры (P), линзы с фокусным расстоянием 50 мм (L 1 ) , прецизионное отверстие (P 50 мкм ) и объектив 400 мм (L 2 ). SLM отображает наложение фазовых масок с 6 иглами и дифракционной решетки несущей. SLM оптимизирован для проецирования большей части модулированного света в первый порядок дифракции, который выбирается с помощью 250-мм линзы (L 3 ) и апертуры (P), размещенных в плоскости Фурье SLM. Этот свет распространяется в дальнее поле через комбинацию линз (линзы с фокусным расстоянием 250 мм (L 4 ) и линзы с фокусным расстоянием 400 мм (L 5)). Луч распространяется на 2 отдельных плеча с помощью светоделителя (BS). Одно плечо использует измеритель мощности для измерения мощности лазера, а второе плечо состоит из мишени (T) перед пластиной из матового стекла (GGP). Фотоумножитель (ФЭУ) измеряет прошедший свет после взаимодействия с мишенью. Рисунок автора был взят из Kallepalli et al. 
Предоставлено: Интеллектуальные вычисления (2022 г.). DOI: 10.34133/icomputing.0001

В этих микроскопах необходимы дополнительные сложные элементы управления фазой и амплитудой. Международная группа исследователей во главе с Ахилом Каллепалли (Kallepalli Lab), работающая в группе оптики Университета Глазго, взялась за решение этой проблемы. Работая с точки зрения оптики, они разработали и протестировали новый алгоритм создания фантомных изображений, обнаружив, что они могут создавать изображения с улучшенным разрешением и контрастностью, используя освещение с более низким потоком, 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 недоступны для электронной микроскопии. До сих пор сложно добиться сложного управления фазой и амплитудой, чтобы уменьшить фазовую аберрацию для непрерывного улучшения изображения в области электронной микроскопии.

Авторы применили компьютерную визуализацию призраков, оптический подход, к электронной микроскопии и разработали новый алгоритм для решения этой проблемы. Подход инвертирует знание проецируемых шаблонов и их измеренную передачу для восстановления 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 безлинзовые, так и дальние поля. Таким образом, компьютерное фантомное изображение может быть использовано для получения изображения с помощью просвечивающей электронной микроскопии.

В оптических методах можно использовать пространственные модуляторы света для обеспечения ортогональности изображений. Однако трудно гарантировать ортогональность между шаблонами при использовании естественного рассеяния или сильно ограниченных модуляторов. Этот новый алгоритм, разработанный авторами, оптимально использует шаблоны независимо от их ортогональности. Свой новый метод они назвали «ортогональной фантомной визуализацией».

Авторы проверили свой метод двумя способами. Сначала они провели оптический эксперимент, аналогичный системе просвечивающей электронной микроскопии. Этот эксперимент проверил стратегию освещения и устойчивость алгоритма к неортогональности. После этого они проверили свой метод с помощью просвечивающей электронной микроскопии.

Эксперименты показали, что авторский алгоритм создания фантомных изображений обеспечивает реконструкцию изображения с более высоким разрешением и большей контрастностью по сравнению с наиболее распространенным онлайн-алгоритмом фантомных 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 подчеркивают некоторые результаты, касающиеся повреждения образца электронного микроскопа, которое можно было бы уменьшить с помощью их метода. Будущие разработки могут быть использованы для дальнейшей оптимизации разрешения или скорости изображения как в оптической, так и в электронной микроскопии.