Imágenes de extensión diagonal en el dominio de la frecuencia. Crédito:Jiang et al., doi 10.1117 / 1.AP.2.3.036005.
El dispositivo de carga acoplada (CCD) revolucionó la fotografía al permitir la captura de luz electrónicamente, reconocido por el Premio Nobel de Física 2009. Sin embargo, El tamaño de píxel de CCD / CMOS se ha convertido en un cuello de botella para la resolución de imágenes digitales.
El problema surge de una diferencia formal entre el sensor rectangular y la lente circular o simétrica. Peng Xi, profesor asociado de ingeniería biomédica en la Universidad de Pekín, explica, "En un sistema de imágenes basado en lentes, las lentes son en su mayoría circular-simétricas, sin embargo, los sensores CCD / CMOS son todos rectangulares. Esto da como resultado una función de transferencia simétrica circular en el sistema óptico, y una colección de datos rectangular en el dominio de la frecuencia ".
Apuntando a esa diferencia, un equipo de investigación internacional dirigido por Xi investigó recientemente las características de muestreo en el dominio de la frecuencia de las imágenes CCD / CMOS. Su investigación, reportado en Fotónica avanzada , encontró que la información de dominio de frecuencia más alta se puede obtener en la dirección diagonal, cuando la función de transferencia óptica es mayor que la longitud lateral del rectángulo. Xi explica, "La transformada de Fourier de los datos CCD rectangulares sigue siendo rectangular, por lo que la dirección diagonal puede recopilar hasta 1,4 veces más frecuencia que la dirección horizontal o vertical ". Según este principio, la resolución puede alcanzar 1,5 píxeles cuando las muestras se combinan en diagonal, más denso que la resolución convencional de dos píxeles.
Microscopía de extensión de dominio de frecuencia
Guiado por esta intuición, El equipo de Xi propuso una tecnología novedosa:microscopía de extensión diagonal de dominio de frecuencia (FDDE). Demostrar, establecieron una plataforma de imágenes diagonales en el dominio de la frecuencia, basado en un microscopio sin lentes con un chip semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS). La microscopía sin lentes (LFM) rompe con las técnicas microscópicas convencionales basadas en lentes al evitar la aplicación de la lente. Xi explica, "LFM no está limitado por un sistema de lentes, y tiene la ventaja adicional de componentes de frecuencia suficientemente grandes ".
Para permitir la obtención de imágenes sin lentes de una muestra en diferentes ángulos, un detector 2-D está montado en una plataforma giratoria manual. Se obtiene una serie de imágenes en diferentes direcciones de detección y se registran conjuntamente. Luego se extrae la información de alta frecuencia asociada con las estructuras finas de los datos obtenidos de diferentes direcciones, cosidos juntos algorítmicamente, y se convierte de nuevo en el dominio espacial para obtener una imagen superesuelta.
Imágenes FDDE con una muestra de piel de ratón. (a) La imagen FDDE LFM de la muestra de piel de ratón. (b) Una vista ampliada de la región marcada en (a). (c) Imágenes LFM. (c1), (c2), y (c3) son la misma área que (c4) en las imágenes trifásicas con diferentes orientaciones. Las flechas en la esquina superior derecha corresponden a la dirección de la muestra en el experimento. Las tres flechas indican la imagen FDDE. Además, (c2) y (c3) y (d2) y (d3) se vuelven a girar en la misma dirección que en (c1) y (d1), respectivamente, para una comparación. El perfil de línea en (c4) está marcado entre las flechas. El recuadro en (c4) se obtiene con un microscopio de campo brillante de 10 ×, presentado como la verdad fundamental. (d) Los dominios de frecuencia de las imágenes trifásicas y la imagen FDDE. El rectángulo amarillo es el límite del microscopio sin lentes. El área de la línea roja en (d1) - (d3) se combina en (d4) según el principio de FDDE. Crédito:Jiang et al., doi 10.1117 / 1.AP.2.3.036005.
Ricas estructuras biológicas visibles
Las muestras biológicas suelen contener estructuras ricas, ideal para probar el rendimiento de FDDE. En una prueba, el equipo tomó una imagen de una muestra de piel de ratón, adquiriendo tres imágenes crudas holográficas rotacionales desde diferentes ángulos. Los dominios de frecuencia de estas tres imágenes se sintetizaron luego a través de FDDE, revelando detalles finos no observables con una sola imagen holográfica, pero claramente resuelto a través de FDDE. En otra prueba, el equipo tomó imágenes de frotis de células sanguíneas. La estructura circular de la mayoría de las células sanguíneas, que parece extrañamente rectangular en LFM convencional, se distinguió claramente como una forma de anillo utilizando la tecnología FDDE.
Después de demostrar el desempeño del FDDE en microscopía sin lentes, el equipo demostró que el principio de resolución enriquecida mediante muestreo diagonal puede extenderse a la fotografía basada en lentes, cuando la resolución está limitada por el tamaño de los píxeles. De acuerdo con el principio de FDDE, lograron una resolución 1,3 veces mayor en diagonal que en horizontal.
¿Huevo de Colón?
Xi señaló que FDDE es un "problema típico de tipo huevo de Columbus" donde una solución parece simple en retrospectiva:"La solución se vuelve muy sencilla cuando se mira la diferencia entre la lente y el CCD en el dominio de la frecuencia". Xi anticipa que el método se puede aplicar a muchas otras áreas donde se emplean CCD, como imágenes de telescopios, visión de máquina, y espectroscopia.
