一种提高电子和光学显微镜高分辨率成像的交叉学科解决方案

       尽管电子显微镜已经可以揭示小到一纳米的结构，但是正在进行的研究试图突破图像质量的限制并且减少样品的光剂量。像差是电子显微镜中的一个常见问题，它会降低所产生图像的分辨率和质量。这些显微镜需要额外的复杂相位和振幅控制，由在格拉斯哥大学光学组工作的 Akhil Kallepalli（Kallepalli 实验室）领导的国际研究团队着手解决这个问题。从光学的角度出发，他们开发并测试了一种新的鬼成像算法，研究发现他们可以使用较低的光通量照明产生具有更高分辨率和对比度的图像，从而减少对样品的损坏，该研究成果已经发表在《Intelligent Computing》杂志上。

氦氖激光器产生的633 nm光经偏振分光器 (PBS) 变成偏振光，然后利用光阑 (P)、焦距为50毫米透镜(L1)、精密针孔 (P50μ)和400毫米镜头 (L2)进行空间滤波和扩展以填充 SLM 的孔径，SLM显示的是6针相位掩模和载波衍射光栅的叠加，SLM 经过优化可以将大部分调制光投射到第一衍射级，这是使用放置在SLM傅里叶平面中的250 毫米透镜 (L3) 和孔径 (P) 选择的，该光通过透镜组合（250毫米焦距透镜 (L4) 和400毫米焦距透镜 (L5））传播到远场。利用分束器 (BS) 将光束传播到 2个独立的光路中。一条光路使用功率计测量激光功率，第二束光路由位于毛玻璃板 (GGP) 前面的目标 (T) 组成，利用光电倍增管 (PMT) 测量与目标相互作用后的透射光。图片来源：Akhil Kallepalli et al, Intelligent Computing (2022)。DOI：10.34133/icomputing.0001

       为了实现对照明方案更好的控制，需要进行光学调制，光学中的调制是改变光波特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。长期以来，光学领域一直使用多种调制器。然而，调制器却不适用于电子显微镜。在电子显微镜领域实现复杂的相位和幅度控制以减少相差来实现连续成像增强仍然是具有挑战性的。

       研究人员将计算鬼成像（一种光学方法）应用于电子显微镜，并设计了一种新的算法来解决这个问题。该方法将投射图案和其测量的透射率倒置，以重建图像。这可以测量到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，可以使用数值光束传播技术计算物体平面中光场的最终形式，从而实现无透镜和远场成像。因此，计算鬼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图案的正交性。然而，当使用自然散射或高度受限的调制器时，很难保证图案之间的正交性。研究人员设计的这种新算法使图案得到了充分的利用，而不管它们的正交性如何。他们称这种新的方法为“正交鬼成像”。研究人员用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方案和算法对非正交性的鲁棒性，之后，他们用透射电子显微镜测试了他们的方法。

       实验表明，与最常见的在线鬼成像算法相比，该团队的鬼成像算法产生了具有更好对比度的更高分辨率的图像重建。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，从而能够有效地应用于光学和电子显微镜。在他们论文的附录中，研究人员还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的成像分辨率或速度。

       消息来源：https://phys.org/news/2023-03-interdisciplinary-solution-high-resolution-imaging-electron.html

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