Het charge-coupled device (CCD) zorgde voor een revolutie in de fotografie door het elektronisch vastleggen van licht mogelijk te maken, zoals erkend door de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2009. Echter, CCD/CMOS-pixelgrootte is een knelpunt geworden voor digitale beeldresolutie.

Het probleem komt voort uit een formeel verschil tussen de rechthoekige sensor en de ronde of symmetrische lens. Peng Xi, universitair hoofddocent biomedische technologie aan de Universiteit van Peking, verklaart, "In een op lenzen gebaseerd beeldvormingssysteem, de lenzen zijn meestal cirkelsymmetrisch, toch zijn de CCD/CMOS-sensoren allemaal rechthoekig. Dit resulteert in een circulair-symmetrische overdrachtsfunctie in het optische systeem, en een rechthoekige dataverzameling in het frequentiedomein."

Richt je op dat verschil, een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Xi heeft onlangs de bemonsteringskenmerken van het frequentiedomein van CCD/CMOS-beeldvorming onderzocht. Hun onderzoek, gemeld in Geavanceerde fotonica , ontdekte dat informatie in het hogere frequentiedomein kan worden verkregen in de diagonale richting, wanneer de optische overdrachtsfunctie groter is dan de zijde van de rechthoek. Xi legt uit, "De Fourier-transformatie van rechthoekige CCD-gegevens is nog steeds rechthoekig, dus de diagonale richting kan tot 1,4 keer hogere frequentie verzamelen dan de horizontale of verticale richting." Op basis van dit principe, de resolutie kan 1,5 pixels bereiken wanneer monsters diagonaal worden gecombineerd, dichter dan de conventionele resolutie van twee pixels.

Frequentie-domein extensie microscopie

Geleid door dit inzicht, Xi's team stelde een nieuwe technologie voor:frequency-domain diagonal extension (FDDE) microscopie. Laten zien, ze hebben een platform voor diagonale beeldvorming in het frequentiedomein opgericht, gebaseerd op een lensloze microscoop met een complementaire metaaloxide-halfgeleider (CMOS) chip. Lensvrije microscopie (LFM) breekt met conventionele lensgebaseerde microscopische technieken door het aanbrengen van de lens te vermijden. Xi legt uit, "LFM wordt niet beperkt door een lenssysteem, en heeft het extra voordeel van voldoende grote frequentiecomponenten."

Om lensvrije beeldvorming van een monster onder verschillende hoeken mogelijk te maken, een 2D-detector is gemonteerd op een handmatig roterend platform. Een reeks beelden wordt verkregen bij verschillende detectierichtingen en mede geregistreerd. De hoogfrequente informatie die is gekoppeld aan de fijne structuren van de gegevens die uit verschillende richtingen zijn verkregen, wordt vervolgens geëxtraheerd, algoritmisch aan elkaar genaaid, en terug geconverteerd naar het ruimtelijke domein om een ​​super-opgelost beeld te verkrijgen.

Rijke biologische structuren zichtbaar

Biologische monsters bevatten vaak rijke structuren, ideaal voor het testen van de prestaties van FDDE. In een proef, het team maakte een afbeelding van een muishuidmonster, het verwerven van drie roterende holografische onbewerkte afbeeldingen vanuit verschillende hoeken. De frequentiedomeinen van deze drie afbeeldingen werden vervolgens gesynthetiseerd via FDDE, onthullende fijne details die niet waarneembaar zijn met een enkel holografisch beeld, maar duidelijk opgelost via FDDE. Bij een andere proef het team nam bloedceluitstrijkjes in beeld. De cirkelvormige structuur van de meeste bloedcellen, die vreemd rechthoekig lijkt in conventionele LFM, werd duidelijk onderscheiden als een ringvorm met behulp van de FDDE-technologie.

Na het aantonen van de prestaties van de FDDE in lensvrije microscopie, het team toonde aan dat het principe van verrijkte resolutie door diagonale bemonstering kan worden uitgebreid tot lensgebaseerde fotografie, wanneer de resolutie wordt beperkt door de pixelgrootte. In overeenstemming met het principe van FDDE, ze bereikten een resolutie die 1,3 keer hoger was diagonaal dan horizontaal.

Het ei van Columbus?

Xi merkte op dat FDDE een "typisch probleem van het ei-type van Columbus" is, waarbij een oplossing achteraf eenvoudig lijkt:"De oplossing wordt heel eenvoudig als we kijken naar het verschil tussen lens en CCD in het frequentiedomein." Xi verwacht dat de methode kan worden toegepast op veel andere gebieden waar CCD's worden gebruikt, zoals telescoopbeeldvorming, machine visie, en spectroscopie.