高度な専門知識を強化するための学際的なソリューション

2023 年 3 月 3 日

この記事は、Science X の編集プロセスとポリシーに従ってレビューされています。 編集者は、コンテンツの信頼性を確保しながら、次の属性を強調しました。

事実確認済み

校正する

インテリジェントコンピューティングによる

電子顕微鏡ではすでに 1 ナノメートルほどの微細な詳細を明らかにすることができますが、現在進行中の研究では、画質を制限し、サンプルの光線量を低減する障壁を突破することが求められています。 収差は電子顕微鏡における一般的な問題であり、生成される画像の解像度と品質を低下させる可能性があります。

これらの顕微鏡では、追加の複雑な位相および振幅制御が必要です。 グラスゴー大学の光学グループ内で活動するアキル・カレパリ（カレパリ研究所）率いる国際研究チームは、この問題の解決に着手した。 彼らは光学の観点から取り組み、新しいゴーストイメージングアルゴリズムを開発およびテストし、より低い光束照明を使用して解像度とコントラストが向上した画像を生成できることを発見し、これによりサンプルの損傷を軽減できることがわかりました。

この研究は、Intelligent Computing 誌に 12 月 21 日に掲載されました。

照明戦略をより適切に制御するには、光変調が必要です。 光学における変調は、光波の特性を変化させて情報をエンコードするプロセスです。 光通信システムや、分光法やイメージングなどのさまざまな用途に使用されます。 光学分野では、長い間、さまざまな種類の変調器が利用されてきました。

ただし、変調器は電子顕微鏡では使用できません。 電子顕微鏡の分野において、連続的な画像向上のために位相収差を低減するために複雑な位相と振幅の制御を実現することは依然として困難です。

著者らは、光学的アプローチである計算ゴーストイメージングを電子顕微鏡に適用し、この問題に対処する新しいアルゴリズムを設計しました。 このアプローチでは、投影されたパターンとその測定された透過に関する知識を逆転させて、画像を再構成します。 これは、より複雑な空間パターンで照明されたときのサンプルの透過率を測定するために使用できます。

このシステムでは、レンズフリーとファーフィールドの両方の実装を可能にする数値ビーム伝播技術を使用して、物体の平面内で得られるライトフィールドの形状を計算できます。 したがって、計算によるゴーストイメージングは​​透過型電子顕微鏡イメージングに使用できます。

光学的方法では、空間光変調器を使用して結像パターンの直交性を確保できます。 ただし、自然散乱または高度に制限された変調器を使用する場合、パターン間の直交性を保証することは困難です。 著者によって設計されたこの新しいアルゴリズムは、パターンの直交性に関係なく、パターンを最適に利用します。 彼らは新しい方法を「直交化ゴーストイメージング」と呼んでいます。

著者らは自分たちの方法を 2 つの方法でテストしました。 まず、透過型電子顕微鏡システムと同様の光学実験を実施しました。 この実験では、照明戦略とアルゴリズムの非直交性に対する堅牢性をテストしました。 その後、彼らは透過型電子顕微鏡を使ってその方法をテストしました。

実験では、著者らのゴースト イメージング アルゴリズムが、最も一般的なオンライン ゴースト イメージング アルゴリズムと比較して、より優れたコントラストを備えた高解像度の画像再構成を生成することが示されました。 新しいアルゴリズムは、あらゆる波長でのイメージング機能を強化し、パターン セットの非直交性に対して堅牢であるため、光学顕微鏡と電子顕微鏡の両方で効果的に適用できます。

著者らは論文の付録で、電子顕微鏡サンプルの損傷に関するいくつかの発見を強調しており、これは彼らの方法を使用することで軽減できる可能性があります。 将来の開発を利用して、光学顕微鏡イメージングと電子顕微鏡イメージングの両方でイメージングの解像度や速度をさらに最適化することができます。

詳しくは： Akhil Kallepalli et al、Computational Imaging を使用した電子顕微鏡と光学イメージングにわたるポイント スキャニングの挑戦、Intelligent Computing (2022)。 DOI: 10.34133/icomputing.0001

インテリジェントコンピューティングにより提供