Figura 1:Funzione di diffusione del punto tridimensionale dell'obiettivo Cassegrain. Credito:Compuscript Ltd
Scienza optoelettronica ha pubblicato uno studio che espande la microspettroscopia a infrarossi con il metodo di ricostruzione computazionale Lucy-Richardson-Rosen.
Le tecnologie di imaging computazionale hanno sostanzialmente ridotto i costi dei sistemi di imaging e allo stesso tempo hanno notevolmente migliorato le loro prestazioni come capacità di imaging tridimensionale, imaging multispettrale con un sensore monocromatico, ecc. Tuttavia, i metodi di imaging computazionale non sono privi di sfide. La maggior parte se non tutti i metodi di imaging computazionale richiedono modulatori ottici speciali come piastre di dispersione, aperture della zona di Fresnel e aperture codificate che mappano ogni punto dell'oggetto in una distribuzione di intensità speciale. Un metodo computazionale ricostruisce la distribuzione dell'intensità registrata in immagini multispettrali e multidimensionali. Poiché è coinvolta una fase di ricostruzione intermedia, i metodi di imaging computazionale sono chiamati imager indiretti mentre i sistemi di imaging convenzionali basati su lenti sono imager diretti. La necessità di speciali modulatori ottici nell'imaging computazionale è dovuta alle limitazioni nei meccanismi di ricostruzione. Inoltre, anche se i metodi di calcolo di cui sopra possono fornire informazioni aggiuntive rispetto ai tradizionali imager basati su obiettivi, la qualità della ricostruzione non è mai stata al livello di un imager basato su obiettivi.
In questo lavoro di ricerca, è stato sviluppato un nuovo metodo di olografia computazionale combinando due noti metodi di deconvoluzione, vale a dire l'algoritmo di massima verosimiglianza sviluppato da Lucy e Richardson e la correlazione non lineare sviluppata da Rosen. Questo algoritmo Lucy-Richardson-Rosen è in grado di deconvolvere le distribuzioni di intensità ottenute da imager diretti come gli obiettivi Cassegrain. Questo sviluppo collega metodi di imaging diretti e indiretti creando un grande impatto. Quando la condizione di imaging è soddisfatta, si forma un'immagine diretta dell'oggetto e quando la condizione di imaging è disturbata, viene applicato il metodo di ricostruzione computazionale. Il nuovo metodo è stato applicato all'immagine di campioni chimici nel sistema di microspettroscopia a infrarossi del sincrotrone australiano. Da una singola ripresa della telecamera del campione chimico e delle note funzioni di diffusione del punto tridimensionale delle lenti dell'obiettivo Cassegrain, l'algoritmo Lucy-Richardson-Rosen genera un'immagine tridimensionale completa del campione chimico.
Figura 3 a. Imaging diretto di un fascio di fili di seta nello spazio 3D, che mostra oggetti focalizzati e sfocati. b. Risultato della ricostruzione utilizzando l'algoritmo Lucy-Richardson-Rosen. Credito:Compuscript Ltd
Figura 2 a. Modello di intensità registrato per quattro fori di spillo con un'aberrazione assiale di 150 μm e b. il suo risultato di ricostruzione. Credito:Compuscript Ltd
Il gruppo di ricerca del Prof. Saulius Juodkazis, la Swinburne University of Technology, ha sviluppato una nuova tecnica di olografia computazionale per l'imaging rapido di campioni biochimici. L'unità di microspettroscopia a infrarossi utilizza un rivelatore a pixel singolo di mercurio-cadmio-telluride raffreddato ad azoto, una coppia di lenti dell'obiettivo Cassegrain a messa a fuoco serrata e un approccio di scansione punto per punto per registrare le informazioni bidimensionali di un campione. Il metodo di scansione richiede molto tempo limitando il numero di campioni che possono essere studiati durante un progetto Beamtime di sincrotrone.
In questo progetto, il rivelatore a pixel singolo è stato sostituito da un rivelatore a matrice di punti focali ed è stata utilizzata una lente dell'obiettivo Cassegrain più debole per aumentare il diametro del raggio nel piano del campione. Questo metodo ha consentito l'imaging bidimensionale a scatto singolo dei campioni. I metodi di imaging computazionale come l'olografia di correlazione dell'apertura codificata possono trasformare gli imager convenzionali in imager tridimensionali.
A differenza dei precedenti metodi di imaging computazionale, nel metodo proposto possono coesistere imaging diretto e imaging indiretto. Quando la condizione di imaging è soddisfatta, il sistema si comporta come un imager diretto e quando la condizione di imaging non è soddisfatta, il sistema si comporta come un imager indiretto che richiede una ricostruzione computazionale. È stato progettato un nuovo metodo di ricostruzione combinando due metodi di ricostruzione ben noti, vale a dire l'algoritmo di massima verosimiglianza sviluppato da Lucy e Richardson e il metodo di ricostruzione non lineare sviluppato da Rosen. Il nuovo algoritmo Lucy-Richardson-Rosen ha ricostruito le informazioni tridimensionali dei campioni da una singola ripresa della telecamera dei campioni e ha preregistrato la distribuzione tridimensionale dell'intensità della diffusione del punto. Di conseguenza, il metodo sviluppato ha migliorato significativamente la velocità di imaging utilizzando l'unità di microspettroscopia a infrarossi.
Mentre il nuovo algoritmo ha aiutato la tecnica di imaging computazionale a trasformare l'unità di microspettroscopia a infrarossi convenzionale in un'unità di microspettroscopia a infrarossi tridimensionale, ulteriori indagini sull'algoritmo hanno rivelato aspetti sorprendenti dell'algoritmo. L'algoritmo è stato in grado di deconvolvere numerosi campi ottici deterministici in modo significativamente migliore rispetto ai metodi di ricostruzione computazionale esistenti. Si ritiene che il nuovo algoritmo di ricostruzione rivoluzionerà il campo dell'imaging computazionale in cui i campi di scattering possono essere sostituiti da quelli deterministici con un migliore rapporto segnale-rumore e un budget fotonico inferiore. + Esplora ulteriormente
