经典和量子光学的结合实现了超分辨率成像
发布时间：2023-02-10 11:02:13 阅读数： 263
科罗拉多州研究人员的计算成像新方法提高了对生物样本的渲染。
实验的概念图显示了由一组稀疏的相互相干的光束组成的时空调制的光学照明。如主图和插图（A）和（B）所示，光束干涉产生空间结构照明。由于每个光束都包含了瞳孔平面内空间频率支持的一个小区域，所以实现了大的焦点体积。光束的中心空间频率在瞳孔上扫描，通过一组复杂的照明模式循环，其空间频率结构在整个时间调制周期内对照明物镜的全数值孔径（NA）进行采样。图中显示的是一个展开的显微镜，然而，外延式检测是可能的。检测效率可以通过结合多个方向的光子巧合计数来提高。(A) 1个时间样本的结构化照明光强度的放大例子。标本被放置在玻片的区域内。(B) 2个时间点的幻灯片平面上的照明强度的空间结构。(C) 广义HBT检测的例子，显示了2和3个光子同时检测事件的情况。Credit: Intelligent Computing (2022).
能否看到人体中不可见的结构，如细胞的内部运作，或蛋白质的聚集，取决于所采用的显微镜的质量。自从17世纪发明了第一台光学显微镜以来，科学家们一直在努力寻找新的方法，以便在更小的范围和更深的深度更清楚地看到更多的东西。
科罗拉多州立大学电气工程系教授兰迪-巴特尔是这些科学家之一。他和科罗拉多州立大学和科罗拉多矿业学院的一个研究小组正在寻求发明一些世界上最强大的光镜--能够以难以想象的细节解决大面积的生物材料的光镜。
游戏的名称是超级分辨率显微镜，它是任何能够分辨小于一半光波长的东西的光学成像技术。这门学科是2014年诺贝尔化学奖的主题，巴特尔和其他人正在进行一场竞赛，以不断绕过衍射极限，照亮身体内重要的生物结构。
巴特尔斯和科罗拉多矿业学院的物理学教授杰夫-斯奎尔一起，提出了一种新的超级分辨率技术，该技术独特地融合了来自光的量子和经典信息，以大幅提高成像分辨率。他们的想法背后的数学和物理学，以及为什么他们认为它将会成功，在《智能计算》杂志上有详细介绍。该论文的共同作者包括CSU成像和表面科学中心的前主任Jeff Field。
计算光子
他们的新计算成像方法通过精确计算从生物样本中发出的光子或光量子粒子的到来而工作。光子被激光脉冲激发，通过用探测器逐一计数，出现了一组量子和经典图像。然后，研究人员应用一种算法来产生图像，以解决像细胞这样的小结构在大区域内的细节。
"巴特尔斯说："现在，人们可以做非常高分辨率的光学成像，但这有点像飞越落基山脉，能够看到所有的树木，但不能看到树木的精细细节。他继续说，其他的超分辨率技术可以让人放大，比如说，放大到一片单独的叶子上。但是观察整个森林的细节是Bartels和他的团队的目标。
"巴特尔斯说："这里的想法是以高分辨率、高速度和高体积来照亮许多细胞的大区域。
Bartels与Mines的Squier合作了好几年。他们的研究伙伴关系结合了Bartels在计算方面的专长和Squier在光学工程方面的专长，为他们的共同目标创造了定制的光学器件。
智能计算
"斯奎尔说："虽然我们的论文代表了经典和量子物理学的融合，但可以说它也代表了矿山大学和CSU的思想融合。"如果没有我们小组在过去几年中建立的紧密合作，论文中的基本想法根本不会体现出来。"
