信息学与技术

数字全息显微术的一种新的计算方法

数字全息显微镜可为研究人员提供一种独特的方法,精确地检查微观物体的3D地形。然而,直到现在,这种技术的能力受到涉及使用复杂计算方法的并发症的限制。由Ana Doblas博士领导的孟菲斯大学光学成像研究实验室,合作者已经建造了算法,可以在没有任何用户专业知识的情况下自动重建3D地形。他们的工作可以为使用从材料物理到生物医学成像的研究领域的技术提供新的机会。

研究人员可以使用大量技术,以便在显微镜下录制物体的图像。通过测量光线如何移动,散射和被样本吸收,它们通常可以在精确的细节水平中确定微观物体的3D拓扑。然而,这些技术并不总是适用于成像透明物体,例如活细胞或人造晶体。在没有任何方式对于研究人员来确定这些样品中包含的特征的精确位置,它们的结果可能不那么可靠。

现在,这个问题促使人们开发可以直接为整个透明物体创建3D数字图像的技术。为此,研究人员可以使用“数字全息显微术”(DHM)——通过该技术,一束均匀的激光束首先分裂成一个“物体”和一个“参考”光束。当它与透明的样本相互作用时,物体光束被散射到不同的程度,这取决于它渗透到样本中的深度。最后,这些散射波前被显微镜透镜收集,并与参考光束合并。根据其独特的图案,计算机可以通过专门的重建算法计算出该物体透明的3D图像。

图1:面板是:(a)模拟对象的真实复杂(幅度和相位)分布。(b)全息图及其傅里叶变换使用略微倾斜的引用。(c)由我们方法的估计阶段转移提供的解调组件的傅里叶变换。(d)通过在补偿干涉角之后通过逆滤波D1通过逆滤波D1的空间滤波,D1解调组件的傅里叶变换。从解调的组件D + 1获得的定量相位图像。真相步骤为Δφ'= 60,估计的减小的阶段为60.003°。TRUE和估计的相位图像之间的均方误差为1.56×10-6。注意,使用模拟数据,估计阶段的准确性比2图像3张图像更高。但是,也许这种差异在实验噪声内是微不足道的。

从这些数字重建,研究人员可以精确地分析包含在透明微观物体内的3D结构。然而,目前,数字重建的质量和准确性高度依赖于计算方法和用户在选择正确参数时的专业知识,引入不可避免的人为错误来源。到目前为止,这种缺点限制了DHM在尖端研究中的应用,包括材料物理和生物医学成像。在DHM可以更广泛采用之前,必须提出新的计算DHM重建方法。

重叠订单
当一束简单的激光束穿过衍射光栅,并将产生的干涉图样投射到屏幕上时,图样的中心将出现一个光强明亮的峰值,如果没有光栅,光束就会在那里发光。然而,在这个中心光斑的两边,也会出现其他一对亮度峰值,它们的宽度、强度和间距会随着光的波长和光栅间隙的间距而变化。随后,距离中心越来越远的峰对被描述为具有越来越高的“级”衍射。

虽然DHM记录的随机斑点图案比单个激光束更复杂,但它们仍然遵守相同的物理法。这意味着亮度中的任何峰值将被三个可检测的衍射顺序包围。由于诸如电池和晶体结构的微观靶对象可以具有复杂的,任意形状,所以通过散射它们的光所采取的路径将广泛和不可预测地变化。最终,这在解释其产生的干扰模式时导致了大量困难。

“参考和物体波之间的角度需要在三种不同的DHM架构下运行:在线,略微离轴或轴外轴”,解释说明的光学成像研究实验室的主要研究员博士。孟菲斯大学。“在略微离轴和在线DHM系统中,构成全息图谱的三个衍射令重叠。”没有任何方式知道这种重叠发生的程度,算法不可能有效地重建图像。到目前为止,核对这个问题需要一个麻烦的技术。

图2:面板是:(a)模拟对象的真实复杂(幅度和相位)分布。(b)全息图及其傅里叶变换使用略微倾斜的引用。(c)由我们方法的估计阶段转移提供的解调组件的傅里叶变换。(d)从解调的组分D + 1获得的定量相位图像。真正的相位步骤分别为Δφ2'= 60和Δφ3'= 180度。估计的减小阶段:Δφ2'=φ1 - φ2= 1.0472 rad = 60.00014 deg andΔφ3'=φ1 - φ3= 3.1416 rad = 180.0004209°Deg。True对象阶段和检索到的均方误差的值为5.5339E-16,几乎为空。

斗争逐步转移
在波术语中,如果它们的最高和最低幅度的点在传播时未对准,则据说具有相同频率的两个波是“相位移位”。如果两个这样的波一起传播在一起,则它们会破坏性地互相干扰,以减少观察者所看到的光强度 - 到达它们的阶段。在显微尺度上,与可见光的波长相当,可以利用该原理来确定精确的距离。

如果Dras Doblas的技术更加广泛采用,它们可以大大提高先进显微镜的适用性。

通过相移DHM (PS-DHM)技术,可以在主图像旁边创建不同相移的图像。从这些“相位图”中,重建算法可以更好地计算从摄像机到目标物体不同部分的距离,从而获得更精确的3D图像。在某种程度上,PS-DHM允许研究人员减轻重叠衍射级的影响,但这种方法有其自身的局限性。Doblas博士描述道:“需要移相技术来恢复复杂的物体信息,因此需要多次全息记录。”“传统的PS-DHM方法需要准确了解记录的全息图之间的相移。然而,在实验中,这样的精度往往是困难的,导致使用不精确的相移值,产生扭曲和不可靠的相图。”

数字全息显微镜(DHM)

而图像重建算法的可靠性较差,导致图像精度较低,从而限制了PS-DHM在实验室的实用性。通过他们的研究,Doblas博士和她的合作者的目标是尽量减少所需的录音数量,并开发一套更先进的算法,以方便没有经验的用户使用PS-DHM。

包含盲算法
在2020年的一项研究中,该研究小组描述了一种算法的基础,这种算法采用更多的试错方法来进行相移。这些程序首先采用全息干涉图样的数学近似,然后进行盲目的、反复的尝试,以精确地恢复它们所包含的信息,直到它们的结果无法再得到改善。这大大减少了该过程所需的相移全息图的数量。Doblas博士解释说:“作为传统PS-DHM算法的替代方案,盲相移算法不需要准确的相移知识。”我们提出了两种用于PS-DHM中精确定量相位图像的相移算法。所提出的方法最多适用于三个相移全息图。

通过他们最新的实验,Doblas的团队博士现在已经清楚地证明了它们算法的四个不同的优势,与之前的PS-DHM的方法相比。首先,它们可以有效地使用最小的录制全息图,因为它们不需要准确了解相移。其次,它们在计算的相移产生了最小的误差,接近0.005%。第三,算法产生每个图像的相移与处理后的实际图像的相位之间的最大可能相关性。最后,与先前的方法相比,它们需要显着降低的处理时间。

为实验室带来DHM
由于这些众多好处,Doblas博士和她的合作者现在希望将他们的方法扩展到复杂的显微镜系统的全息图,这些系统随着时间的推移而移动和改变形状。“我们的方法的标志是准确性,并且降低的采集和处理时间,导致PS-DHM系统更适合动态成像,就像活细胞成像和胶体系统一样”,她总结道。

如果DOBLAS技术的技术变得更加广泛,他们可以大大提高先进的显微镜技术的适用性,直到最近,许多研究人员被视为不切实际。最终,他们很快就能改善从物理学家研究高级人造材料的复杂晶体结构到生物学家成像微观生活系统的时变行为的研究机会。

个人反应

与更传统的显微镜技术相比,通过您的PS-DHM方法提供了哪些优势?

优点包括减少的采集图像数量,导致动态样本的更合适的方法,以及无需先验知识的自动方法。后者将允许研究人员在没有DHM中的知识的情况下调查样品,导致商业原型。

这篇特写文章是经过研究团队的批准创建的特写。这是一个协作产品,由那些特色援助免费,全球发行。

想阅读更多类似的文章吗?

注册我们的邮件列表,并阅读最重要的主题。
报名!

留下一个回复

您的电子邮件地址不会被公开。必填字段被标记

感谢您对加入我们的邮件列表和社区的兴趣。在下面,您可以选择您希望我们如何与您互动,我们会随时了解我们的最新内容。

您可以通过点击来自我们收到的任何电子邮件的页脚中的取消订阅链接来更改您的偏好或取消订阅,或通过联系我们audience@www.graceymay.com.在任何时候,如果您对如何处理数据有任何疑问,请查看我们的隐私协议。

您想了解更多关于我们服务的信息吗?

我们使用MailChimp作为我们的营销自动化平台。点击以下提交此表格,即表示您确认您所提供的资料将会传送至MailChimp,以便按照他们的要求处理隐私政策条款。

订阅我们的免费出版物