Imagem de extensão diagonal no domínio da frequência. Crédito:Jiang et al., doi 10.1117 / 1.AP.2.3.036005.
O dispositivo de carga acoplada (CCD) revolucionou a fotografia, permitindo a captura de luz eletronicamente, conforme reconhecido pelo Prêmio Nobel de Física de 2009. Contudo, O tamanho do pixel CCD / CMOS tornou-se um gargalo para a resolução de imagem digital.
O problema decorre de uma diferença formal entre o sensor retangular e a lente circular ou simétrica. Peng Xi, professor associado de engenharia biomédica na Universidade de Pequim, explica, "Em um sistema de imagem baseado em lentes, as lentes são em sua maioria circulares simétricas, no entanto, os sensores CCD / CMOS são todos retangulares. Isso resulta em uma função de transferência circular simétrica no sistema óptico, e uma coleta de dados retangular no domínio da frequência. "
Visando essa diferença, uma equipe de pesquisa internacional liderada por Xi investigou recentemente as características de amostragem no domínio da frequência de imagens CCD / CMOS. Sua pesquisa, relatado em Fotônica Avançada , descobriram que informações de domínio de frequência mais alta podem ser obtidas na direção diagonal, quando a função de transferência óptica é maior que o comprimento lateral do retângulo. Xi explica, "A transformada de Fourier de dados CCD retangulares ainda é retangular, portanto, a direção diagonal pode coletar uma frequência até 1,4 vezes maior do que a direção horizontal ou vertical. "Com base neste princípio, a resolução pode chegar a 1,5 pixels quando as amostras são combinadas diagonalmente, mais densa do que a resolução convencional de dois pixels.
Microscopia de extensão de domínio de frequência
Guiado por este insight, A equipe de Xi propôs uma nova tecnologia:microscopia de extensão diagonal no domínio da frequência (FDDE). Para demonstrar, eles estabeleceram uma plataforma de imagem diagonal de domínio de frequência, baseado em um microscópio sem lente com um chip semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS). A microscopia sem lente (LFM) rompe com as técnicas convencionais de microscopia baseada em lente, evitando a aplicação da lente. Xi explica, "LFM não é limitado por um sistema de lentes, e tem a vantagem adicional de componentes de frequência suficientemente grandes. "
Para habilitar a imagem sem lentes de uma amostra em diferentes ângulos, um detector 2-D é montado em uma plataforma giratória manual. Uma série de imagens é obtida em diferentes direções de detecção e co-registrada. As informações de alta frequência associadas às estruturas finas dos dados obtidos em diferentes direções são então extraídas, costurados em algoritmos, e convertido de volta para o domínio espacial para obter uma imagem super-resolvida.
Imagem FDDE com uma amostra de pele de rato. (a) A imagem FDDE LFM da amostra de pele do mouse. (b) Uma visão ampliada da região marcada em (a). (c) Imagens LFM. (c1), (c2), e (c3) são a mesma área que (c4) nas imagens trifásicas com orientações diferentes. As setas no canto superior direito correspondem à direção da amostra no experimento. As três setas indicam a imagem FDDE. Além disso, (c2) e (c3) e (d2) e (d3) são girados de volta para a mesma direção que em (c1) e (d1), respectivamente, para uma comparação. O perfil da linha em (c4) é marcado entre as setas. A inserção em (c4) é fotografada com um microscópio de campo claro 10 ×, apresentado como a verdade fundamental. (d) Os domínios de frequência das imagens trifásicas e da imagem FDDE. O retângulo amarelo é o limite do microscópio sem lente. A área da linha vermelha em (d1) - (d3) é combinada em (d4) com base no princípio de FDDE. Crédito:Jiang et al., doi 10.1117 / 1.AP.2.3.036005.
Ricas estruturas biológicas visíveis
Amostras biológicas geralmente contêm estruturas ricas, ideal para testar o desempenho do FDDE. Em um teste, a equipe fotografou uma amostra de pele de rato, adquirir três imagens brutas holográficas rotacionais de diferentes ângulos. Os domínios de frequência dessas três imagens foram então sintetizados através de FDDE, revelando detalhes finos não observáveis com uma única imagem holográfica, mas claramente resolvido via FDDE. Em outro teste, a equipe fez imagens de esfregaços de células sanguíneas. A estrutura circular da maioria das células sanguíneas, que parece estranhamente retangular em LFM convencional, foi claramente distinguido como uma forma de anel usando a tecnologia FDDE.
Depois de demonstrar o desempenho do FDDE em microscopia sem lentes, a equipe demonstrou que o princípio de resolução aprimorada por meio de amostragem diagonal pode ser estendido para a fotografia baseada em lentes, quando a resolução é limitada pelo tamanho do pixel. Consistente com o princípio do FDDE, eles alcançaram uma resolução 1,3 vezes maior na diagonal do que na horizontal.
Ovo de Colombo?
Xi observou que o FDDE é um "problema típico do tipo ovo de Colombo", onde uma solução parece simples em retrospecto:"A solução se torna muito direta quando olhamos para a diferença entre a lente e o CCD no domínio da frequência." Xi antecipa que o método pode ser aplicado a muitas outras áreas onde os CCDs são empregados, como imagens de telescópio, visão de máquina, e espectroscopia.
