Großes Bild? Einzelheiten? Neues Imaging-System bietet beide

Mit der richtigen Art der Verarbeitung kann Milchglas tatsächlich die Bildgebung verbessern.Vergrößern / Mit der richtigen Art der Verarbeitung kann Milchglas verbessern tatsächlich Bildgebung.Steve K / Flickr

Es kommt wahrscheinlich nicht oft vor, dass jemand in Ihr Büro kommt und sagt: “Ich möchte, dass Sie mich zu einem technisch ausgereiften Gerät machen, das alles schlimmer. “Doch das scheint eine Lösung für das Schaffen zu sein Bilder von großen Flächen, die noch viele Details enthalten.

Bildgebende Systeme sind in der Regel ein Produkt von äußerster Sorgfalt Maschinenbau. Ich habe gehört, wie Ingenieure über das Polieren von Gläsern gesprochen haben Genauigkeit eines Pikometers (10-12 m), denn das ist es, was Sie tun müssen tun, um einige Bildanforderungen zu erreichen. Im Allgemeinen desto mehr Vorsicht, je besser das Bild. Aber die jüngsten Entwicklungen haben in die andere Richtung gegangen. Es stellt sich heraus, dass wir das nutzen können Zufälligkeit durch raue Oberflächen erzeugt, um eine hohe Qualität zu erhalten bilder.

Mahlen Sie das Glas

Stellen Sie sich eine Glasscheibe vor: Sie strahlen Laserlicht ein und Laser Licht kommt heraus. Es ist die langweiligste Show der Welt. Der nächste Schritt ist eine Seite des Glases aufzurauen. Nach ein wenig schleifen (tragen eine Maske), haben Sie so etwas wie das durchscheinende Glas in Ihrem Badezimmer Fenster. Wenn du ein Laserlicht durchleuchtest, was dann? Es entsteht ein Durcheinander von Flecken und Unschärfe. Wir haben erfolgreich zerstörte einen Laserstrahl.

Der Grund, warum der Laserstrahl zerstört wird, ist, dass jeder Teil der Der Laserstrahl erfährt eine etwas andere Glasdicke. Zu Stellen Sie sich das vor, lassen Sie uns das Laserlicht beim Durchgang einfrieren die Glasscheibe. Dort vor dir kannst du die Elektrik sehen Felder der Lichtwellen. Die Gipfel sind alle wunderschön aufgereiht, und wir können eine Linie entlang dieser Spitze über den Laserstrahl ziehen. Diese Linie heißt eine Phasenfront. Licht bewegt sich immer in eine Richtung das ist genau im rechten Winkel zur Phasenfront.

Das ist das Bild, bevor das Licht auf die raue Oberfläche von trifft das Milchglas. Wenn die Lichtwelle auf diese Schnittstelle trifft, wird die Linie entlang der Spitze des elektrischen Feldes ist verzerrt und bildet eine Nachbildung der Glasoberfläche. Jetzt wird unsere Linie gezackt Durcheinander – jeder Teil der Lichtwelle ist etwas anders gereist Abstand durch das Glas. Während die Phasenfronten nicht auf a fallen schöne glatte Linie, die Lichtwelle verläuft immer noch senkrecht zur Phasenfront an jedem Ort. Infolgedessen geht das Licht nach innen aus alle Richtungen.

Erstaunlicherweise können wir den Schaden an der Lichtwelle davor reparieren passiert sogar. Das Glas verzerrt die Phasenfront in gleicher Weise jedes mal, weil sich die oberfläche nicht viel ändert. Also wenn du Wenn Sie diese Verzerrung messen, können Sie ein Gerät einfügen, mit dem die Phasenfront derart, dass die Lichtwelle durch die Glas ungestört. Im Wesentlichen sieht das Licht, das in das Glas eintritt, so aus verschwommen und schrecklich, und das Glas korrigiert alle Verzerrungen dass Sie vorgestellt. Es sendet einen schönen Lichtstrahl aus.

Dieser Prozess ist wirklich cool. Sie können sogar Ihr Stück drehen Milchglas in eine Linse, um das Licht zu fokussieren. Und viel Arbeit hat wurde durchgeführt, um dies als Methode zur Korrektur der Lichtstreuung zu verwenden damit medizinische bildgebung mit sichtbarem und nahem infrarotlicht erfolgen kann tiefer in den Körper greifen.

Viele Punkte, die sich alle zusammen bewegen

Je mehr Details Sie in der Bildgebung sehen möchten, desto kleiner ist der Wert Bildgebungsbereich, den Sie erhalten. Das eingeschränkte Sichtfeld kommt von Ihnen kann nicht alles auf einmal fokussieren. Der fokussierte Teil eines Das Bild kommt von der sogenannten “Brennebene” der Bildgebung System. Leider ist die Fokusebene keine Ebene – es ist eine gekrümmte Oberfläche, so kommt unser scharfes Bild von allem, was liegt auf dieser gekrümmten Oberfläche.

Das resultierende Bild bildet natürlich auch eine gekrümmte Oberfläche, dieses auf der anderen Seite des Objektivs. Aber Detektoren sind flach, also Der fokussierte Teil des Bildes ist das Stückchen der gekrümmten Oberfläche, das schneidet (ungefähr) mit der flachen Oberfläche des Detektors. Wenn wir hineinzoomen, werden die Oberflächen enger gekrümmt, also weniger der Oberfläche schneidet mit der Detektorebene. Daher können Sie Haben Sie ein großes Sichtfeld, oder Sie können Details sehen.

Und hier kann man ein bisschen aufgerautes Glas als Linse verwenden eine gewöhnliche Linse schlagen. Mit aufgerautem Glas konstruieren wir den Brennpunkt Ebene. Das ist jedoch ein ziemlicher Arbeitsaufwand und macht die Bildgebung sehr langsam.

Der Trick, den viele Forscher anwenden, heißt Gedächtniseffekt. Wenn Sie Ihr Glas ein wenig neigen, ist der Fokus voll Lichtpunkte bewegen sich in die gleiche Richtung. Aber kippen Sie das Glas zu weit und diese kollektive Bewegung geht als die Winkel verloren, unter denen Das reflektierte Licht beginnt zu divergieren. Das heißt, Sie können Gestalten Sie Ihr Objektiv so, dass es mehrere verschiedene Fokusse aufweist, und scannen Sie sie Alles durch Drehen des Glases. Dies erzeugt ein Bild, das viel enthält Detail und ein großes Sichtfeld.

Das Problem ist, dass das Winkelgedächtnis für eine zufällige Oberfläche ist begrenzt, so dass Sie zu viele Brennpunkte benötigen, um ein großes Feld abzudecken der Ansicht.

Es stellt sich heraus, dass der Trick darin besteht, Glas zu verwenden, das irgendwie ist, aber nicht ganz zufällig. Eine Gruppe von Forschern erstellte einen zufälligen Designer Oberfläche. Grundsätzlich machten die Forscher eine Glasscheibe mit winzigen quadratische Säulen. Jede Säule ist gleich hoch, aber die Breite kann nimm einen von drei Werten an. Das Ergebnis ist eine Oberfläche, die scheinbar randomisiert das licht aber die berechnungen dazu Richtig, die Randomisierung kann im Voraus erfolgen. In der Tat, Mit einem relativ einfachen Test können sich die Forscher schnell ausrichten das System und starten Sie es. Sie schätzen, dass ihre Glasscheibe Im Vergleich dazu können 108 Brennpunkte bis zu 30 Grad erzeugt werden auf 1 bis 2 Grad für wirklich zufällige Streuer wie Farbe oder Opal Brille.

To get a wide field of view typically requires a low-resolution Linse (links).  Das neue Objektiv erfasst dabei jedoch das gleiche Sichtfeld  dramatically increasing the resolution.Vergrößern / Um ein breites Sichtfeld zu erhalten, ist normalerweise eine niedrige Auflösung erforderlich lens (left). But the new lens captures the same field of view whiledramatische Erhöhung der Auflösung. Jang et al.

Die Forscher zeigten ein breites Sichtfeld und auf spektakuläre Weise hochauflösend. Sie verglichen Bilder zwischen ein gewöhnliches Mikroskop und ihre eigenen (ähnliche Auflösung und Vergrößerung). Das Standardmikroskop zeigte ein klares Bild von Einige Parasiten (Giardia lamblia) mit einem Sichtfeld von etwa einem Millimeter. Die Streulinse hatte die gleiche Bildqualität, war aber über eine Fläche von etwa acht Millimetern.

Hier müssen wir jedoch eine Einschränkung erkennen. Die Forscher habe nicht mehrere Brennpunkte verwendet, um das gesamte Sichtfeld abzubilden gleichzeitig. Wenn sie diesen nächsten Schritt erreichen, dann die wahre Kraft von ihrem Mikroskop wird realisiert. Es besteht keine Notwendigkeit für körperliche Scannen und Zusammenfügen von Bildern, um ein Bild von a zu erhalten großes Sample mit hoher Auflösung. Dies bedeutet, dass die Größe der Das Bild wird nur durch die Abmessungen der verwendeten Geräte begrenzt Erstellen Sie das Bild.

Holen Sie das Riesenmikroskop hervor

Das “nur” ist jedoch ein relativer Begriff. Ein ein Meter breites Bild mit einer auflösung von einem mikrometer ist das wohl ein bischen weit hergeholt. Sie Für die Steuerung wird ein LCD-Bildschirm mit ca. 1019 Pixeln benötigt das Licht allein, egal den Rest des Aufbaus. Dennoch, Es gibt viele Fälle in Wissenschaft und Technik, wenn es vernünftig ist hochauflösende Bildgebung über ein paar Zentimeter wäre wirklich, sehr nützlich.

Lithografie – das Bildgebungsverfahren, das zum integrierten Drucken verwendet wird Schaltkreise – fällt mir ein. Dies ist ein klassischer Fall, bei dem sowohl a als auch a gewünscht werden großes sichtfeld und eine hohe auflösung. Eine Streulinse gibt es nicht ersetzen die High-End-Lithographiesysteme. Aber viel davon Chips werden mit einer viel gröberen Auflösung gedruckt, und das können sie auch (irgendwann) von dieser Technologie profitieren.

Im Moment ist dies jedoch ein Laboraufbau mit allen Schwächen verbunden mit seinem Status “von einem Doktoranden gebaut”. In anderen Worte, es funktioniert hervorragend, ist aber wahrscheinlich temperamentvoller als ein verwirrter und wütender Bulle. Wenn jedoch Ingenieure aus einem der Größere Mikroskophersteller bemerken diese Entwicklung (die sie wahrscheinlich wird), sollten Sie anfangen, Streulinsen auftauchen zu sehen in kommerziellen Mikroskopen in ein paar Jahren.

Naturphotonik, 2018, DOI: 10.1038 / s41566-017-0078-z (Informationen zu DOIs).

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