Physikern ist es gelungen, ein zweidimensionales Bild eines Objekts mit einer Auflösung zu erhalten, die die Beugungsgrenze überschreitet. Im Gegensatz zu bestehenden Techniken ist das von den Autoren getestete Schema für alle Objekte geeignet und erfordert keinen direkten Kontakt mit ihnen, was für die Untersuchung entfernter Objekte in der Astronomie und für nicht-invasive Messungen in der Biologie sehr wichtig ist. Ein Vorabdruck der Arbeit ist auf arXiv.org veröffentlicht.
Das Mikroskop ist eines der beliebtesten und informativsten Werkzeuge für Forscher. Leider überschreitet die maximale Auflösung optischer Mikroskope 200 Nanometer nicht, und der Punkt liegt nicht in der Unvollkommenheit vorhandener Geräte, sondern in der grundlegenden theoretischen Grenze, der sogenannten Beugungsgrenze. Die Qualität eines mit einem herkömmlichen Mikroskop erhaltenen Bildes hängt davon ab, wie gut seine Linse das Licht einfangen kann (diese Eigenschaft wird durch die numerische Apertur charakterisiert). Bei ausreichend geringem Abstand zwischen zwei Objekten verschmelzen deren Bilder im Mikroskop auch bei hohen Werten der numerischen Aperturen. In einigen Fällen wird zur Erhöhung der numerischen Apertur der Raum zwischen Objekt und Objektiv mit einer Flüssigkeit gefüllt, deren Brechungsindex größer ist als der von Luft – eine Technik, die als Immersionsmikroskopie bezeichnet wird.
Den Wissenschaftlern ist es gelungen, die Beugungsgrenze zu umgehen, indem sie völlig neue Möglichkeiten zur Bildgewinnung entwickelt haben – das Scannen eines Objekts direkt an der Oberfläche (Nahfeldmikroskopie) oder die Verwendung von Fluoreszenzstrahlung (zum Beispiel STED-Mikroskopie). Trotz der hohen Auflösung sind beide Methoden längst nicht für jedes Objekt geeignet: Entweder muss die Nahfeldmikroskopie-Sonde nahe daran platziert werden können, oder dieses Objekt muss bei einer bestimmten Wellenlänge fluoreszieren. Für den zweiten Fall werden in der Biologie spezielle Fluoreszenzmarker verwendet, die an die gewünschten Teile der Probe "angenäht" werden und die Strahlung dieser Marker untersucht. Es ist klar, dass keine der Methoden in der Astronomie oder bei der nicht-invasiven Untersuchung biologischer Strukturen anwendbar ist.
Ein wesentlicher Schritt in der Entwicklung einer universellen Methode zur Bildgewinnung im optischen Bereich waren die theoretischen Arbeiten zur Durchbrechung der Beugungsgrenze im Fernfeld. Wissenschaftlern der Universität Oxford unter der Leitung von Alexander Lvovsky (Alex Lvovsky) ist es gelungen, diese Idee zu entwickeln und in die Praxis umzusetzen. Die Autoren stellten ein optisches Schema zusammen, um ultrahochaufgelöste Bilder zu erhalten, und messen nicht nur die Intensität der einfallenden Strahlung, sondern auch die räumlichen Korrelationen der optischen Moden. Die erzielten Ergebnisse übertrafen nicht nur die Standardmethode der direkten Bildaufnahme auf der Kamera, sondern auch die gleiche Methode mit zusätzlicher Nachbearbeitung des Bildes (übrigens werden ähnliche Algorithmen von modernen Smartphones verwendet, um die Bildqualität zu verbessern).
Versuchsaufbaudiagramm
Eine Möglichkeit, Informationen über ein komplexes Objekt zu extrahieren, besteht darin, diese auf einige bekannte Komponenten zu projizieren und dann deren Beitrag zu sehen. Bei optischen Strahlen wird häufig eine Aufweitung in Hermite-Gauss-Basis verwendet. Jedes Bild kann in einen Satz optischer Moden zerlegt werden, der Beitrag jedes einzelnen kann gemessen und das Ausgangsbild rekonstruiert werden. Um einen solchen Trick umzusetzen, teilten die Autoren den anfänglichen Laserstrahl in zwei Teile: Einer ging direkt auf das Objekt und der zweite auf den Spatial Light Modulator (SLM). Er weiß, wie man Licht moduliert und jede beliebige Strahlform erzeugt, dh Raummoden-Basisvektoren erzeugt. Nach Transformationen - durch Reflexion an einem Objekt oder durch Modulation - treffen beide divergierenden Strahlen am Strahlteiler zur Überlagerungsdetektion wieder zusammen. Dadurch ist es möglich, den Lichtstrahl des Objekts auf eine der vom Spatial-Modulator kommenden Moden zu "projizieren" und nicht nur die Intensität des Signalstrahls, sondern auch seine Phase zu überwachen. Der resultierende Photostrom der Detektoren trägt die notwendige Information über die Wechselwirkung des Signalstrahls mit einer bestimmten räumlichen Mode.
(a) ein originalgetreues Bild des Universitätslogos, (b) ein Bild, das mit der von den Autoren entwickelten Technik aufgenommen wurde, (c) ein Bild, das mit einer Standardmethode mit einer Kamera aufgenommen wurde
Kamerabilder nach zusätzlicher Nachbearbeitung mit einem interaktiven Dekonvolutionsalgorithmus
Die nächste Stufe des Experiments war der Dekodierung der vom Detektor empfangenen Daten gewidmet. Die Autoren transformierten die Verteilung der Photoströme nach der Projektion des Bildes auf 21 Raummoden mithilfe von maschinellem Lernen in das endgültige Bild. Das neuronale Netz, bestehend aus zwei versteckten Schichten von jeweils sechstausend Neuronen, wurde auf zufälligen Bildern und einfachen geometrischen Formen trainiert. Sein Ziel ist es, das endgültige Bild nicht an das reale Bild des Objekts anzupassen, sondern an das Bild, das mit idealen Raummoden entstanden wäre. So konnten systematische Fehler und Einbaugeräusche neutralisiert werden. Wichtig ist, dass das Training des neuronalen Netzes nicht für jedes einzelne Bild, sondern für ein bestimmtes optisches Schema durchgeführt werden muss.
Testproben zur Quantifizierung der Bildqualität: (a) echtes Bild zweier paralleler Linien in unterschiedlichen Abständen, (b) Bilder einer neuen Technologie und (c) Kamera; (d) die Abhängigkeit der Auflösung zweier paralleler Linien von der Anzahl der Hermite-Gauss-Modi, wobei die Begrenzung der Kamera schwarz dargestellt ist, die theoretischen Berechnungen für das Schema des Autors blau dargestellt sind und die Ergebnisse des Experiments sind rot dargestellt. Ein Pixel (px) = 7,56 Mikrometer
Wissenschaftler verglichen Bilder des Logos ihrer Universität, die sie in ihrer Installation erhalten hatten, mit einem Bild einer hochauflösenden Kamera. Selbst die Nachbearbeitung von Bildern von der Kamera erlaubte nicht, Bilder in der gleichen Qualität zu erhalten. Um die Auflösung der entwickelten Technik quantitativ zu charakterisieren, verglichen die Autoren Bilder von zwei parallelen Linien mit unterschiedlichen Abständen zwischen ihnen. Darüber hinaus erhielten sie die Abhängigkeit des minimal auflösbaren Abstands zwischen den Linien für eine unterschiedliche Anzahl von verwendeten Moden. Bereits fünf Modi reichen aus, um die Beugungsgrenze zu überwinden, und bei 21 ist es möglich, Bilder von Linien mit einem Abstand von der Hälfte der Beugungsgrenze zu erhalten.
Die Hermite-Gauss-Mikroskopie ist eine einfach zu implementierende und kostengünstige Alternative zu bestehenden superauflösenden Methoden, und ihre Vielseitigkeit ermöglicht es Ihnen, in zuvor unzugängliche Bereiche zu gelangen. Darüber hinaus kann die Kombination der entwickelten Methode mit der bestehenden zu einer noch höheren Auflösung führen und zur Entwicklung neuer Richtungen der Mikroskopie führen.
Sehen Sie hier oder hier, was ultrahochauflösende optische Mikroskopie mit Fluoreszenz leisten kann, und lernen Sie moderne Methoden kennen, mit denen Sie die Beugungsgrenze umgehen können, in den Arbeiten zur Goldenen Pyramide für die Nahfeldmikroskopie, Fächerlinse oder Nanopartikel, die als Nanolaser arbeiten können.
