Imaging di estensione diagonale nel dominio della frequenza. Credito:Jiang et al., doi 10.1117/1.AP.2.3.036005.
Il dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD) ha rivoluzionato la fotografia consentendo la cattura elettronica della luce, come riconosciuto dal Premio Nobel 2009 per la Fisica. Però, La dimensione dei pixel CCD/CMOS è diventata un collo di bottiglia per la risoluzione delle immagini digitali.
Il problema nasce da una differenza formale tra il sensore rettangolare e la lente circolare o simmetrica. Peng Xi, professore associato di ingegneria biomedica presso l'Università di Pechino, spiega, "In un sistema di imaging basato su lenti, le lenti sono per lo più circolari-simmetriche, tuttavia i sensori CCD/CMOS sono tutti rettangolari. Ne risulta una funzione di trasferimento circolare-simmetrica nel sistema ottico, e una raccolta dati rettangolare nel dominio della frequenza."
Mirando a quella differenza, un team di ricerca internazionale guidato da Xi ha recentemente studiato le caratteristiche di campionamento nel dominio della frequenza dell'imaging CCD/CMOS. La loro ricerca, segnalato in Fotonica avanzata , scoperto che le informazioni sul dominio delle frequenze più alte possono essere ottenute nella direzione diagonale, quando la funzione di trasferimento ottico è maggiore della lunghezza del lato del rettangolo. Xi spiega, "La trasformata di Fourier dei dati CCD rettangolari è ancora rettangolare, quindi la direzione diagonale può raccogliere una frequenza fino a 1,4 volte superiore rispetto alla direzione orizzontale o verticale." Sulla base di questo principio, la risoluzione può raggiungere 1,5 pixel quando i campioni sono combinati in diagonale, più denso della risoluzione convenzionale di due pixel.
Microscopia con estensione nel dominio della frequenza
Guidato da questa intuizione, Il team di Xi ha proposto una nuova tecnologia:la microscopia con estensione diagonale nel dominio della frequenza (FDDE). Dimostrare, hanno stabilito una piattaforma di imaging diagonale nel dominio della frequenza, basato su un microscopio senza lenti con un chip CMOS (metal-oxide-semiconductor) complementare. La microscopia senza lenti (LFM) rompe con le tecniche microscopiche convenzionali basate su lenti, evitando l'applicazione della lente. Xi spiega, "LFM non è limitato da un sistema di lenti, e ha il vantaggio aggiuntivo di componenti di frequenza sufficientemente grandi."
Per consentire l'imaging senza obiettivo di un campione da diverse angolazioni, un rilevatore 2-D è montato su una piattaforma rotante manuale. Una serie di immagini viene ottenuta in diverse direzioni di rilevamento e co-registrata. Vengono quindi estratte le informazioni ad alta frequenza associate alle strutture fini dei dati ottenuti da diverse direzioni, cuciti insieme algoritmicamente, e riconvertito nel dominio spaziale per ottenere un'immagine super-risolta.
Imaging FDDE con un campione di pelle di topo. (a) L'immagine FDDE LFM del campione di pelle di topo. (b) Una vista ingrandita della regione contrassegnata in (a). (c) Immagini LFM. (c1), (c2), e (c3) sono la stessa area di (c4) nelle immagini trifase con orientamenti diversi. Le frecce nell'angolo in alto a destra corrispondono alla direzione del campione nell'esperimento. Le tre frecce indicano l'immagine FDDE. Inoltre, (c2) e (c3) e (d2) e (d3) vengono ruotati indietro nella stessa direzione di (c1) e (d1), rispettivamente, per un confronto. Il profilo della linea in (c4) è segnato tra le frecce. L'inserto in (c4) è ripreso con un microscopio a campo chiaro 10×, presentato come la verità fondamentale. (d) I domini di frequenza delle immagini trifase e dell'immagine FDDE. Il rettangolo giallo è il confine del microscopio senza lenti. L'area della linea rossa in (d1)-(d3) è combinata in (d4) in base al principio di FDDE. Credito:Jiang et al., doi 10.1117/1.AP.2.3.036005.
Ricche strutture biologiche visibili
I campioni biologici spesso contengono strutture ricche, ideale per testare le prestazioni di FDDE. In una prova, il team ha ripreso un campione di pelle di topo, acquisizione di tre immagini raw olografiche rotazionali da diverse angolazioni. I domini di frequenza di queste tre immagini sono stati quindi sintetizzati tramite FDDE, rivelando dettagli fini non osservabili con una singola immagine olografica, ma chiaramente risolto tramite FDDE. In un'altra prova, il team ha ripreso gli strisci di cellule del sangue. La struttura circolare della maggior parte delle cellule del sangue, che appare stranamente rettangolare in LFM convenzionale, era chiaramente distinto come una forma ad anello utilizzando la tecnologia FDDE.
Dopo aver dimostrato le prestazioni dell'FDDE nella microscopia senza lenti, il team ha dimostrato che il principio della risoluzione arricchita attraverso il campionamento diagonale può essere esteso alla fotografia basata sull'obiettivo, quando la risoluzione è limitata dalla dimensione dei pixel. Coerentemente con il principio di FDDE, hanno raggiunto una risoluzione 1,3 volte superiore in diagonale che in orizzontale.
L'uovo di Colombo?
Xi ha osservato che FDDE è un "tipico problema del tipo a uovo di Colombo" in cui una soluzione appare semplice in retrospettiva:"La soluzione diventa molto semplice quando si osserva la differenza tra obiettivo e CCD nel dominio della frequenza". Xi anticipa che il metodo può essere applicato a molte altre aree in cui vengono impiegati i CCD, come l'imaging del telescopio, visione artificiale, e spettroscopia.
