席鹏课题组Nature Photonics:在对角超分辨成像方面取得重要进展

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CCD的发明对人类生活带来极大影响，它彻底改变了人类探测图像信号的方法。这一技术也因此获得2009年诺贝尔物理学奖。在CCD成像中，由于其结构被设计为行列传输，因此矩形正交像素最为常见。而在光学成像中，由于透镜的制备工艺要求，普遍运用到了圆形的透镜。这使得光学的点扩展函数和光学传递函数均呈现圆形特征。
       近日，北京大学工学院席鹏课题组对CCD成像的频域采样特性进行了深入研究。CCD的像素排列使其傅里叶域自然呈现了矩形结构；当光学传递函数小于矩形的边长时，在对角线方向可以获取更高的频域信息，从而实现对角频域增强。利用这一原理，将采样进行多次对角拼合，可以获得约1.4倍的分辨率提升。相关研究近日发表在国内光学领域知名学术期刊Advanced Photonics（原文链接：https://doi.org/10.1117/1.AP.2.3.036005 ）。
       为了验证这一技术，研究者首先进行了无透镜显微成像。传统成像通过透镜将物体的实像传递到CCD平面进行成像，而无透镜显微成像技术直接将物体放置在CCD器上实现成像。无透镜成像是一种新兴的基于同轴全息的光学成像技术，它具有成本低、体积小的优点，且不受传统透镜成像的空间带宽积的限制，可以实现大视场下的高分辨率成像，因此在病理切片成像领域具有良好的应用前景，并有助于提高欠发达地区的医疗检测水平。然而，无透镜显微成像的分辨率主要受限于探测器的像素尺寸，而传统的XY平移像素超分辨显微技术需要精度较高的电动平移台，不利于降低设备成本和拓展应用领域。
       为了验证技术的性能，研究人员搭建了频域对角线扩展成像平台，以2.2微米像素大小的CMOS作为探测器的无透镜显微镜，并将探测器固定在手动旋转平台上。利用对角线方向上频域范围是水平方向1.4倍的特性，仅利用物理手段将探测器对角线方向上的分辨率提高到1.4倍，分辨率达到1.5像素，而传统理论中，该系统的分辨率被限制在2个像素。在这个理论基础上，通过将探测器进行旋转，在不同相对角度上对样本进行无透镜成像。再通过傅里叶域融合，将不同方向上采集的原始图像的高频信息融合，并形成一张超分辨图像。研究人员首先测试了分辨率板的成像效果，实验证明FDDE有利于将分辨率提高1.3倍左右。随后研究人员利用FDDE对小鼠上皮切片和血细胞涂片进行了成像。在血细胞成像实验中，利用FDDE技术可以清楚地分辨出大多数血细胞的环形结构。同时，FDDE技术还应用到了传统的镜头成像当中，并在对焦方向测量到了1.4倍的分辨率增强。

图1 利用FDDE原理实现的超越正交采样分辨率。样品为血细胞涂片。

       席鹏课题组近年来致力于超分辨技术的开发，如：1) 利用反射驻波轴向超分辨技术(MEANS)发表在Light: Science and Applications期刊，并得到Nature Photonics的研究亮点评价(https://www.nature.com/articles/nphoton.2016.130)；2) 利用偏振特性的荧光偶极子超分辨技术(SDOM)发表在Light: Science and Applications期刊，并得到Nature Methods的高度评价(https://www.nature.com/articles/nmeth.4061)；3) 开发了减帧SIM技术来提升结构光成像的速率2倍以上(IEEE TIP2018)；4) 将荧光偏振与结构光照明显微结合，实现了超分辨在偏振和空间两个维度上的提升。相关工作发表在Nature Communications期刊（https://www.nature.com/articles/s41467-019-12681-w ），并得到Nature Methods的研究亮点评价（https://www.nature.com/articles/s41592-019-0682-6）。  
       北京大学席鹏研究员是本工作的通讯作者，第一作者姜杉博士在北京大学进行博士后研究。本文实验由北京大学博士生关美玲、徐鑫舳、清华大学博士后吴嘉敏、悉尼科技大学博士生房国成合作完成。本工作受到国家自然科学基金委、科技部、北京市科委杰出青年科学基金、江苏省自然科学基金的资助。


       文章来源：北京大学
       席鹏，北京大学工学院研究员。致力于光学超分辨成像技术的研究，发展了一系列新型超分辨技术。2015年当选美国光学学会资深会员，和中国光学学会生物医学光学分会常务委员。现担任四份SCI收录国际学术期刊的编委：Scientific Reports, Microscopy Research and Techniques, Micron, 和Chinese Optics Letters。同时担任多个国际著名学术期刊如Nat. Comm., OL, OE, BOE 等的审稿人。在Light: Science&Applications, ACS Nano, Laser & Photonic Research, Opt. Expr., Opt. Lett.等国际一流期刊发表SCI收录期刊论文49篇，总影响因子超过240。2013年获得绿叶生物医药杰出青年学者奖。2016年获得中国光学重要成果奖。已授权美国专利2项，中国专利8项，编辑专著2部。多次被OSA和SPIE组织的国际会议邀请作大会邀请报告。