一个跨学科的解决方案，用于增强电子和光学显微镜的高分辨率成像

尽管电子显微镜已经可以揭示小到一纳米的细节，但正在进行的研究试图突破限制图像质量的障碍，减少样品上的光剂量。畸变是电子显微镜中常见的问题，会降低产生的图像的分辨率和质量。

在这些显微镜中需要额外的复杂相位和振幅控制。在格拉斯哥大学光学组工作的阿基尔-卡莱帕里（Kallepalli Lab）领导的一个国际研究小组着手解决这个问题。从光学角度出发，他们开发并测试了一种新的鬼魂成像算法，发现他们可以使用较低的通量照明产生具有改进的分辨率和对比度的图像，这可以减少样品的损坏。

这项研究于12月21日发表在《智能计算》上。

为了实现对照明策略的更好控制，需要进行光学调制。光学中的调制是改变光波的属性以编码信息的过程。它被用于光通信系统和各种应用中，如光谱学和成像。许多种类的调制器在光学领域早就有了。

然而，调制器却不能用于电子显微镜。在电子显微镜领域，要实现复杂的相位和振幅控制，以减少相位畸变，实现连续成像增强，仍然是一个挑战。

作者将计算幽灵成像这一光学方法应用于电子显微镜，并设计了一种新的算法来解决这一问题。该方法将投射图案的知识和其测量的透射率倒置，以重建图像。这可以用来测量用更复杂的空间图案照射时的样品的透射率。

在这个系统中，物体平面上的光场的结果形式可以用数值光束传播技术来计算，从而实现无透镜和远场的实现。因此，计算幽灵成像可用于透射电子显微镜成像。

在光学方法中，空间光调制器可用于确保成像模式的正交性。然而，在使用自然散射或高度有限的调制器时，很难保证图案之间的正交性。作者设计的这种新算法使图案得到最佳利用，而不管它们的正交性如何。他们把他们的新方法称为 "正交化鬼魂成像"。

作者以两种方式测试了他们的方法。首先，他们进行了一个类似于透射电子显微镜系统的光学实验。这个实验测试了照明策略和算法对非正交性的稳健性。之后，他们用透射电子显微镜测试了他们的方法。

实验表明，与最常见的在线鬼魂成像算法相比，作者的鬼魂成像算法产生了更高分辨率的图像重建，对比度更好。新算法增强了在任何波长下的成像能力，并且对图案集的非正交性具有鲁棒性，能够有效地应用于光学显微镜和电子显微镜。

在他们论文的附录中，作者强调了一些与电子显微镜样品损坏有关的发现，使用他们的方法可以减少这种损坏。未来的发展可用于进一步优化光学和电子显微镜成像的分辨率或速度。

More information: Akhil Kallepalli et al, Challenging Point Scanning across Electron Microscopy and Optical Imaging using Computational Imaging, Intelligent Computing (2022). DOI: 10.34133/icomputing.0001

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