用于电子和光学显微镜中增强高分辨率成像的跨学科解决方案

尽管电子显微镜已经可以揭示小至一纳米的细节，但正在进行的研究试图突破限制图像质量和减少样品光学剂量的障碍。像差是电子显微镜中的一个常见问题，会降低所生成图像的分辨率和质量。

这些显微镜需要额外的复杂相位和振幅控制。由格拉斯哥大学光学小组的Akhil Kallepalli(Kallepalli实验室)领导的国际研究小组着手解决这个问题。从光学角度出发，他们开发并测试了一种新的鬼影成像算法，发现他们可以使用较低的通量照明产生具有更高分辨率和对比度的图像，这可以减少样品损坏。

该研究于21月<>日发表在《智能计算》上。

需要光调制来实现对照明策略的更好控制。光学调制是改变光波特性以编码信息的过程。它用于光通信系统和各种应用，例如光谱学和成像。光学领域长期以来一直存在多种调制器。

然而，调节剂不可用于电子显微镜。在电子显微镜领域，实现复杂的相位和幅度控制以减少相位像差以增强连续成像仍然具有挑战性。

作者将计算鬼成像(一种光学方法)应用于电子显微镜，并设计了一种新算法来解决这个问题。该方法反转了投影模式及其测量传输的知识，以重建图像。这可用于测量样品在使用更复杂的空间图案照明时的透射率。

在该系统中，可以使用数字光束传播技术计算物体平面中光场的结果形式，从而实现无透镜和远场实现。因此，计算鬼成像可用于透射电子显微镜成像。

在光学方法中，可以使用空间光调制器来确保成像图案的正交性。然而，当使用自然散射或高度有限的调制器时，很难保证图案之间的正交性。作者设计的这种新算法可以优化利用模式，而不管它们的正交性如何。他们称他们的新方法为“正交鬼影成像”。

作者以两种方式测试了他们的方法。首先，他们进行了类似于透射电子显微镜系统的光学实验。该实验测试了照明策略和算法对非正交性的鲁棒性。之后，他们用透射电子显微镜测试了他们的方法。

实验表明，与最常见的在线鬼影成像算法相比，作者的鬼影成像算法产生了更高分辨率的图像重建，对比度更好。新算法增强了任何波长的成像能力，并且对图案集的非正交性具有鲁棒性，从而可以在光学和电子显微镜中有效应用。

在他们论文的附录中，作者强调了与电子显微镜样品损伤相关的一些发现，这些发现可以通过他们的方法减少。未来的发展可用于进一步优化光学和电子显微镜成像的成像分辨率或速度。