Uma solução interdisciplinar para alto desempenho

3 de março de 2023

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por Computação Inteligente

Embora a microscopia eletrônica já possa revelar detalhes tão pequenos quanto um nanômetro, pesquisas em andamento buscam romper barreiras que limitam a qualidade da imagem e reduzem a dose óptica nas amostras. A aberração é um problema comum na microscopia eletrônica que pode reduzir a resolução e a qualidade das imagens produzidas.

Controles complexos adicionais de fase e amplitude são necessários nesses microscópios. Uma equipe internacional de pesquisadores liderada por Akhil Kallepalli (Kallepalli Lab) trabalhando no Optics Group da Universidade de Glasgow decidiu resolver o problema. Trabalhando de uma perspectiva óptica, eles desenvolveram e testaram um novo algoritmo de imagem fantasma, descobrindo que poderiam produzir uma imagem com resolução e contraste aprimorados usando iluminação de fluxo mais baixo, o que poderia reduzir os danos à amostra.

A pesquisa foi publicada em 21 de dezembro na Intelligent Computing.

A modulação óptica é necessária para obter um melhor controle das estratégias de iluminação. A modulação em óptica é o processo de variação das propriedades das ondas de luz para codificar informações. É usado em sistemas de comunicação óptica e em várias aplicações, como espectroscopia e imagem. Há muito tempo que moduladores de vários tipos estão disponíveis no campo da óptica.

No entanto, moduladores não estão disponíveis para microscopia eletrônica. Ainda é um desafio alcançar o controle complexo de fase e amplitude para reduzir a aberração de fase para aprimoramento contínuo de imagens no campo da microscopia eletrônica.

Os autores aplicaram imagens fantasmas computacionais, uma abordagem óptica, à microscopia eletrônica e projetaram um novo algoritmo para resolver esse problema. A abordagem inverte o conhecimento dos padrões projetados e sua transmissão medida para reconstruir a imagem. Isso pode ser usado para medir a transmitância da amostra quando iluminada com padrões espaciais mais complexos.

Neste sistema, a forma resultante do campo de luz no plano do objeto pode ser calculada usando técnicas de propagação de feixe numérico, permitindo implementações sem lentes e de campo distante. Portanto, imagens fantasmas computacionais podem ser usadas para imagens de microscopia eletrônica de transmissão.

Em métodos ópticos, moduladores de luz espacial podem ser usados ​​para garantir a ortogonalidade dos padrões de imagem. É, no entanto, difícil garantir a ortogonalidade entre os padrões quando se usa dispersão natural ou moduladores altamente limitados. Este novo algoritmo projetado pelos autores otimiza o uso dos padrões, independentemente de sua ortogonalidade. Eles chamam seu novo método de "imagem fantasma ortogonalizada".

Os autores testaram seu método de duas maneiras. Primeiro, eles realizaram um experimento óptico análogo ao sistema de microscopia eletrônica de transmissão. Este experimento testou a estratégia de iluminação e a robustez do algoritmo à não ortogonalidade. Depois disso, eles testaram seu método com microscopia eletrônica de transmissão.

Os experimentos mostraram que o algoritmo de imagem fantasma dos autores produz uma reconstrução de imagem de alta resolução com melhor contraste em comparação com o algoritmo de imagem fantasma online mais comum. O novo algoritmo aprimora os recursos de imagem em qualquer comprimento de onda e é robusto para a não ortogonalidade dos conjuntos de padrões, permitindo uma aplicação eficaz em microscopia óptica e eletrônica.

Em um apêndice de seu artigo, os autores destacam algumas descobertas relacionadas a danos em amostras de microscópio eletrônico, que podem ser reduzidos usando seu método. O desenvolvimento futuro pode ser usado para otimizar ainda mais a resolução ou a velocidade da imagem em imagens de microscopia óptica e eletrônica.