采用对角线采样的超分辨率成像

频域对角线延伸成像。 图片来源：蒋等人，doi 10.1117 / 1.AP.2.3.036005

电荷耦合器件（CCD）通过实现电子捕获光的方式，彻底改变了摄影技术，这获得了2009年诺贝尔物理学奖的认可。 但是，CCD / CMOS像素大小已成为数字成像分辨率的瓶颈。

该问题源于矩形传感器与圆形或对称透镜之间的形式差异。 北京大学生物医学工程副教授彭曦解释说：“在基于镜头的成像系统中，镜头大多是圆对称的，而CCD / CMOS传感器都是矩形的。这导致了光学系统的圆对称的传递函数，对应频域中的矩形数据收集。”

针对这种差异，由希领导的一个国际研究团队最近研究了CCD/CMOS成像的频域采样特性。他们的研究报告在《高级光子学》上，发现当光传递函数大于矩形的边长时，在对角线方向可以获得更高的频域信息。希解释说:“矩形CCD数据的傅里叶变换仍然是矩形的，所以对角线方向可以比水平或垂直方向采集到高达1.4倍的频率。”基于此原理，将样本对角组合时，分辨率可达到1.5像素，比传统的两个像素的分辨率更密集。

频域扩展显微镜

在这一观点的指导下，希的团队提出了一种新技术:频域对角扩展(FDDE)显微镜。为了证明这一点，他们基于带互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片的无透镜显微镜建立了频域对角线成像平台。无镜头显微术(LFM)打破了传统的基于镜头的显微技术，避免使用镜头。希解释说，“线性调频不受镜头系统的限制，并且具有足够大的频率分量的额外优势。”

为了能够以不同角度对样品进行无透镜成像，将二维检测器安装在手动旋转平台上。 在不同的检测方向上获得一系列图像并对其进行配准。 然后提取与从不同方向获得的数据的精细结构相关的高频信息，通过算法将其拼接在一起，然后转换回空间域，以获得超分辨率图像。

用小鼠皮肤样本进行频域对角扩展成像。 （a）小鼠皮肤样本的频域对角扩展成像的无镜头显微术图像。 （b）在（a）中标记区域的放大图。 （c）无镜头显微术图像。 （c1），（c2）和（c3）是在具有不同方向的三相图像中与（c4）相同的区域。 右上角的箭头对应于实验中样品的方向。 三个箭头指示频域对角扩展图像。 另外，为了比较，将（c2）和（c3）以及（d2）和（d3）分别旋转回与（c1）和（d1）相同的方向。 （c4）中的线轮廓在箭头之间标记。 （c4）中的插图用10倍明场显微镜成像，表示为地面真相。 （d）三相图像和对角扩展成像图像的频域。 黄色矩形是无镜头显微镜的边界。 根据频域对角扩展原理，将（d1）-（d3）中的红线区域合并为（d4）。 图片来源：蒋等人，doi 10.1117 / 1.AP.2.3.036005。

生物样品通常含有丰富的结构，是测试频域对角扩展成像性能的理想材料。在一次测试中，该团队拍摄了小鼠皮肤样本，从不同角度获得了三张旋转全息原始图像。通过频域对角扩展成像对这三幅图像的频域进行合成，得到了单幅全息图像无法观测到的细节，但频域对角扩展成像可以很好地分辨出来。在另一项测试中，研究小组对血细胞涂片进行成像。大多数血细胞的圆形结构在常规无透镜显微镜中呈奇怪的矩形，使用频域对角扩展成像技术可以清楚地将其区分为环状结构。

在展示了频域对角扩展成像在无透镜显微镜下的性能后，该团队证明了通过对角采样来提高分辨率的原理可以扩展到基于透镜的摄影中，当分辨率受到像素大小的限制时。与频域对角扩展成像原则相一致，他们在对角线上获得的分辨率比水平上高出1.3倍。

哥伦布的蛋？

希指出，频域对角扩展成像是“典型的哥伦布蛋型问题”，回顾起来，解决方案看起来很简单：“当在频域中观察镜头和CCD之间的差异时，该解决方案变得非常简单。” 希预计该方法可以应用于采用CCD的许多其他领域，例如望远镜成像，机器视觉和光谱学。