Den laddningskopplade enheten (CCD) revolutionerade fotograferingen genom att möjliggöra fångst av ljus elektroniskt, som erkändes av 2009 års Nobelpris i fysik. Dock, CCD/CMOS-pixelstorlek har blivit en flaskhals för digital bildupplösning.

Problemet härrör från en formell skillnad mellan den rektangulära sensorn och den cirkulära eller symmetriska linsen. Peng Xi, docent i biomedicinsk teknik vid Pekings universitet, förklarar, "I ett linsbaserat bildsystem, linserna är mestadels cirkulär-symmetriska, ändå är CCD/CMOS-sensorerna alla rektangulära. Detta resulterar i en cirkulär-symmetrisk överföringsfunktion i det optiska systemet, och en rektangulär datainsamling i frekvensdomänen."

Inriktar man sig på den skillnaden, ett internationellt forskarlag under ledning av Xi undersökte nyligen frekvensdomänens samplingsegenskaper hos CCD/CMOS-avbildning. Deras forskning, redovisas i Avancerad fotonik , fann att domäninformation med högre frekvens kan erhållas i diagonal riktning, när den optiska överföringsfunktionen är större än rektangelns sidolängd. Xi förklarar, "Fouriertransformen av rektangulär CCD-data är fortfarande rektangulär, så den diagonala riktningen kan samla upp till 1,4 gånger högre frekvens än den horisontella eller vertikala riktningen." Baserat på denna princip, upplösningen kan nå 1,5 pixlar när samplingar kombineras diagonalt, tätare än den konventionella upplösningen på två pixlar.

Frekvensdomänförlängningsmikroskopi

Styrd av denna insikt, Xis team föreslog en ny teknik:frekvensdomän diagonal förlängning (FDDE) mikroskopi. Att demonstrera, de etablerade en diagonal bildplattform för frekvensdomän, baserat på ett linslöst mikroskop med ett komplementärt metall-oxid-halvledarchip (CMOS). Linsfri mikroskopi (LFM) bryter med konventionella linsbaserade mikroskopiska tekniker genom att undvika applicering av linsen. Xi förklarar, "LFM begränsas inte av ett linssystem, och har den ytterligare fördelen av tillräckligt stora frekvenskomponenter."

För att möjliggöra linsfri avbildning av ett prov i olika vinklar, en 2D-detektor är monterad på en manuell roterande plattform. En serie bilder erhålls i olika detektionsriktningar och samregistreras. Den högfrekventa informationen som är associerad med de fina strukturerna för data som erhålls från olika riktningar extraheras sedan, sammanfogade algoritmiskt, och konverteras tillbaka till den rumsliga domänen för att erhålla en superupplöst bild.

Rika biologiska strukturer synliga

Biologiska prover innehåller ofta rika strukturer, idealisk för att testa prestandan hos FDDE. I ett test, teamet avbildade ett mushudprov, skaffa tre roterande holografiska råbilder från olika vinklar. Frekvensdomänerna för dessa tre bilder syntetiserades sedan genom FDDE, avslöjar fina detaljer som inte kan observeras med en enda holografisk bild, men klart löst via FDDE. I ett annat test, teamet avbildade blodcellsutstryk. Den cirkulära strukturen hos de flesta blodkroppar, som verkar konstigt rektangulärt i konventionell LFM, särskiljdes tydligt som en ringform med FDDE-tekniken.

Efter att ha demonstrerat FDDE:s prestanda i linsfri mikroskopi, teamet visade att principen om berikad upplösning genom diagonal sampling kan utvidgas till linsbaserad fotografering, när upplösningen är begränsad av pixelstorlek. I överensstämmelse med principen om FDDE, de uppnådde en upplösning 1,3 gånger högre diagonalt än horisontellt.

Columbus ägg?

Xi noterade att FDDE är ett "typiskt Columbus äggliknande problem" där en lösning verkar enkel i efterhand:"Lösningen blir väldigt enkel när man tittar på skillnaden mellan lins och CCD i frekvensdomänen." Xi förutser att metoden kan tillämpas på många andra områden där CCD:er används, såsom teleskopavbildning, maskinseende, och spektroskopi.