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对角采样的超分辨率成像

更新时间:2020-09-13 06:45点击:

  电荷耦合器件(CCD)通过实现电子捕获光的方式,彻底改变了摄影技术,这获得了2009年诺贝尔物理学奖的认可。但是,CCD / CMOS像素大小已成为数字成像分辨率的瓶颈。

对角采样的超分辨率成像

  该问题源于矩形传感器与圆形或对称透镜之间的形式差异。北京大学生物医学工程副教授彭曦解释说:“在基于镜头的成像系统中,镜头大多是圆对称的,而CCD / CMOS传感器都是矩形的。这导致了圆对称的传递函数。光学系统,并在频域中收集矩形数据。”

  针对这一差异,习领导的国际研究小组最近研究了CCD / CMOS成像的频域采样特性。他们的研究发表在Advanced Photonics上,他们发现,当光学传递函数大于矩形的边长时,可以在对角线方向上获得更高的频域信息。Xi解释说:“矩形CCD数据的傅里叶变换仍然是矩形,因此对角线方向可以收集到比水平或垂直方向高1.4倍的频率。” 基于此原理,对角线组合采样时,分辨率可以达到1.5个像素,比两个像素的常规分辨率更密集。

  在这种见解的指导下,习的团队提出了一种新颖的技术:频域对角线延伸(FDDE)显微镜。为了证明这一点,他们基于带互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片的无透镜显微镜建立了频域对角线成像平台。通过避免使用透镜,无透镜显微镜(LFM)打破了传统的基于透镜的显微镜技术。Xi解释说:“ LFM不受透镜系统的限制,并具有足够大的频率分量的额外优势。”

  为了能够以不同角度对样品进行无透镜成像,将二维检测器安装在手动旋转平台上。在不同的检测方向上获得一系列图像并对其进行配准。然后提取与从不同方向获得的数据的精细结构相关的高频信息,通过算法将其拼接在一起,然后转换回空间域,以获得超分辨率图像。

  生物样品通常含有丰富的结构,非常适合测试FDDE的性能。在一项测试中,研究小组为小鼠皮肤样本成像,从不同角度获取了三幅旋转全息原始图像。然后,通过FDDE对这三个图像的频域进行了合成,揭示了用单个全息图像无法观察到的精细细节,但通过FDDE可以清晰地分辨出这些细节。在另一项测试中,研究小组对血细胞涂片成像。使用FDDE技术,大多数血细胞的圆形结构在传统的LFM中看起来是奇怪的矩形,显然可以区分为环形。

  在演示了FDDE在无透镜显微镜下的性能后,该团队证明了当分辨率受像素大小限制时,通过对角采样获得的丰富分辨率原理可以扩展到基于镜头的摄影。与FDDE原理一致,它们的对角分辨率比水平分辨率高1.3倍。

  习指出,FDDE是“典型的哥伦布蛋型问题”,回顾起来,解决方案看起来很简单:“当在频域中观察镜头和CCD之间的差异时,该解决方案变得非常简单。” Xi预计该方法可以应用于采用CCD的许多其他领域,例如望远镜成像,机器视觉和光谱学。


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