Eine interdisziplinäre Lösung für gesteigertes High

3. März 2023

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von Intelligent Computing

Obwohl die Elektronenmikroskopie bereits Details von nur einem Nanometer sichtbar machen kann, strebt die laufende Forschung danach, Barrieren zu überwinden, die die Bildqualität einschränken und die optische Dosis auf den Proben reduzieren. Aberration ist ein häufiges Problem in der Elektronenmikroskopie, das die Auflösung und Qualität der erzeugten Bilder beeinträchtigen kann.

Bei diesen Mikroskopen sind zusätzliche komplexe Phasen- und Amplitudensteuerungen erforderlich. Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Akhil Kallepalli (Kallepalli Lab), der in der Optics Group der Universität Glasgow arbeitet, machte sich daran, das Problem anzugehen. Aus optischer Sicht entwickelten und testeten sie einen neuen Algorithmus zur Geisterbilderstellung und stellten fest, dass sie mit einer geringeren Beleuchtungsstärke ein Bild mit verbesserter Auflösung und verbessertem Kontrast erzeugen konnten, wodurch Probenschäden reduziert werden könnten.

Die Forschung wurde am 21. Dezember in Intelligent Computing veröffentlicht.

Um Beleuchtungsstrategien besser steuern zu können, ist eine optische Modulation erforderlich. Bei der Modulation in der Optik werden die Eigenschaften von Lichtwellen verändert, um Informationen zu kodieren. Es wird in optischen Kommunikationssystemen und in verschiedenen Anwendungen wie Spektroskopie und Bildgebung eingesetzt. Im Bereich der Optik sind Modulatoren verschiedenster Art schon seit langem verfügbar.

Für die Elektronenmikroskopie stehen Modulatoren jedoch nicht zur Verfügung. Es ist immer noch eine Herausforderung, eine komplexe Phasen- und Amplitudensteuerung zur Reduzierung der Phasenaberration für eine kontinuierliche Bildverbesserung im Bereich der Elektronenmikroskopie zu erreichen.

Die Autoren wandten Computational Ghost Imaging, einen optischen Ansatz, auf die Elektronenmikroskopie an und entwickelten einen neuen Algorithmus, um dieses Problem anzugehen. Der Ansatz kehrt das Wissen über die projizierten Muster und ihre gemessene Übertragung um, um das Bild zu rekonstruieren. Dies kann verwendet werden, um die Durchlässigkeit der Probe zu messen, wenn sie mit komplexeren räumlichen Mustern beleuchtet wird.

In diesem System kann die resultierende Form des Lichtfelds in der Objektebene mithilfe numerischer Strahlausbreitungstechniken berechnet werden, was sowohl linsenfreie als auch Fernfeld-Implementierungen ermöglicht. Daher kann die rechnergestützte Geisterbildgebung für die Transmissionselektronenmikroskopie-Bildgebung verwendet werden.

Bei optischen Verfahren können räumliche Lichtmodulatoren eingesetzt werden, um die Orthogonalität der Abbildungsmuster sicherzustellen. Es ist jedoch schwierig, die Orthogonalität zwischen Mustern zu gewährleisten, wenn natürliche Streuung oder stark begrenzte Modulatoren verwendet werden. Dieser von den Autoren entwickelte neue Algorithmus nutzt Muster unabhängig von ihrer Orthogonalität optimal aus. Sie nennen ihre neue Methode „orthogonalisierte Geisterbildgebung“.

Die Autoren testeten ihre Methode auf zwei Arten. Zunächst führten sie ein optisches Experiment analog zum Transmissionselektronenmikroskopsystem durch. Dieses Experiment testete die Beleuchtungsstrategie und die Robustheit des Algorithmus gegenüber Nichtorthogonalität. Anschließend testeten sie ihre Methode mit der Transmissionselektronenmikroskopie.

Die Experimente zeigten, dass der Ghost-Imaging-Algorithmus der Autoren im Vergleich zum gängigsten Online-Ghost-Imaging-Algorithmus eine Bildrekonstruktion mit höherer Auflösung und besserem Kontrast erzeugt. Der neue Algorithmus verbessert die Bildgebungsfähigkeiten bei jeder Wellenlänge und ist robust gegenüber der Nichtorthogonalität der Mustersätze, was eine effektive Anwendung sowohl in der optischen als auch in der Elektronenmikroskopie ermöglicht.

In einem Anhang zu ihrer Arbeit heben die Autoren einige Erkenntnisse im Zusammenhang mit der Schädigung elektronenmikroskopischer Proben hervor, die mit ihrer Methode reduziert werden könnten. Zukünftige Entwicklungen können genutzt werden, um die Bildauflösung oder -geschwindigkeit sowohl in der optischen als auch in der elektronenmikroskopischen Bildgebung weiter zu optimieren.

Mehr Informationen: Akhil Kallepalli et al., Anspruchsvolles Punktscannen in Elektronenmikroskopie und optischer Bildgebung mithilfe von Computational Imaging, Intelligent Computing (2022). DOI: 10.34133/icomputing.0001

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