Imagerie d'extension diagonale dans le domaine fréquentiel. Crédit :Jiang et al., doi 10.1117/1.AP.2.3.036005.
Le dispositif à couplage de charge (CCD) a révolutionné la photographie en permettant la capture électronique de la lumière, reconnu par le prix Nobel de physique 2009. Cependant, La taille des pixels CCD/CMOS est devenue un goulot d'étranglement pour la résolution de l'imagerie numérique.
Le problème vient d'une différence formelle entre le capteur rectangulaire et la lentille circulaire ou symétrique. Peng Xi, professeur agrégé de génie biomédical à l'Université de Pékin, explique, "Dans un système d'imagerie à lentille, les lentilles sont pour la plupart à symétrie circulaire, pourtant les capteurs CCD/CMOS sont tous rectangulaires. Il en résulte une fonction de transfert à symétrie circulaire dans le système optique, et une collecte de données rectangulaire dans le domaine fréquentiel."
Cibler cette différence, une équipe de recherche internationale dirigée par Xi a récemment étudié les caractéristiques d'échantillonnage dans le domaine fréquentiel de l'imagerie CCD/CMOS. Leurs recherches, signalé dans Photonique avancée , ont trouvé que des informations dans le domaine des fréquences plus élevées peuvent être obtenues dans la direction diagonale, lorsque la fonction de transfert optique est supérieure à la longueur de côté du rectangle. Xi explique, "La transformée de Fourier des données CCD rectangulaires est toujours rectangulaire, Ainsi, la direction diagonale peut collecter jusqu'à 1,4 fois une fréquence plus élevée que la direction horizontale ou verticale." Sur la base de ce principe, la résolution peut atteindre 1,5 pixels lorsque les échantillons sont combinés en diagonale, plus dense que la résolution conventionnelle de deux pixels.
Microscopie d'extension du domaine fréquentiel
Guidé par cette intuition, L'équipe de Xi a proposé une nouvelle technologie :la microscopie à extension diagonale dans le domaine fréquentiel (FDDE). Démontrer, ils ont établi une plate-forme d'imagerie diagonale dans le domaine fréquentiel, basé sur un microscope sans lentille avec une puce complémentaire métal-oxyde-semiconducteur (CMOS). La microscopie sans lentille (LFM) rompt avec les techniques microscopiques conventionnelles à lentille en évitant l'application de la lentille. Xi explique, "LFM n'est pas limité par un système de lentilles, et a l'avantage supplémentaire d'avoir des composantes de fréquence suffisamment grandes."
Pour permettre l'imagerie sans lentille d'un échantillon sous différents angles, un détecteur 2-D est monté sur une plate-forme rotative manuelle. Une série d'images est obtenue dans différentes directions de détection et co-enregistrée. L'information haute fréquence associée aux structures fines des données obtenues à partir de différentes directions est ensuite extraite, assemblés algorithmiquement, et reconverti dans le domaine spatial pour obtenir une image super-résolue.
Imagerie FDDE avec un échantillon de peau de souris. (a) L'image FDDE LFM de l'échantillon de peau de souris. (b) Une vue agrandie de la région marquée en (a). (c) Images LFM. (c1), (c2), et (c3) sont la même aire que (c4) dans les images triphasées avec des orientations différentes. Les flèches dans le coin supérieur droit correspondent à la direction de l'échantillon dans l'expérience. Les trois flèches indiquent l'image FDDE. En outre, (c2) et (c3) et (d2) et (d3) sont retournés dans le même sens qu'en (c1) et (d1), respectivement, pour une comparaison. Le profil de ligne en (c4) est marqué entre les flèches. L'encart dans (c4) est imagé avec un microscope à fond clair 10×, présenté comme la vérité fondamentale. (d) Les domaines fréquentiels des images triphasées et de l'image FDDE. Le rectangle jaune est la limite du microscope sans lentille. La zone de la ligne rouge dans (d1)-(d3) est combinée en (d4) sur la base du principe de FDDE. Crédit :Jiang et al., doi 10.1117/1.AP.2.3.036005.
Riches structures biologiques visibles
Les échantillons biologiques contiennent souvent des structures riches, idéal pour tester les performances du FDDE. Dans un essai, l'équipe a imagé un échantillon de peau de souris, acquisition de trois images brutes holographiques rotatives sous différents angles. Les domaines fréquentiels de ces trois images ont ensuite été synthétisés par FDDE, révélant des détails fins non observables avec une seule image holographique, mais clairement résolu via FDDE. Dans un autre essai, l'équipe a imagé des frottis de cellules sanguines. La structure circulaire de la plupart des cellules sanguines, qui apparaît curieusement rectangulaire en LFM conventionnel, s'est clairement distingué comme une forme d'anneau utilisant la technologie FDDE.
Après avoir démontré les performances du FDDE en microscopie sans lentille, l'équipe a démontré que le principe de résolution enrichie par échantillonnage diagonal peut être étendu à la photographie à base d'objectif, lorsque la résolution est limitée par la taille des pixels. Conformément au principe du FDDE, ils ont atteint une résolution 1,3 fois plus élevée en diagonale qu'horizontalement.
L'œuf de Colomb ?
Xi a noté que le FDDE est un « problème typique de type œuf de Columbus » où une solution semble simple rétrospectivement :« La solution devient très simple lorsqu'on examine la différence entre l'objectif et le CCD dans le domaine fréquentiel ». Xi prévoit que la méthode peut être appliquée à de nombreux autres domaines où les CCD sont utilisés, comme l'imagerie au télescope, vision artificielle, et la spectroscopie.
