Una soluzione interdisciplinare per uno sballo potenziato

3 marzo 2023

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Sebbene la microscopia elettronica possa già rivelare dettagli piccoli fino a un nanometro, la ricerca in corso cerca di superare le barriere che limitano la qualità dell’immagine e riducono la dose ottica sui campioni. L'aberrazione è un problema comune nella microscopia elettronica che può ridurre la risoluzione e la qualità delle immagini prodotte.

In questi microscopi sono necessari ulteriori controlli complessi di fase e ampiezza. Un team internazionale di ricercatori guidati da Akhil Kallepalli (Kallepalli Lab) che lavora all’interno dell’Optics Group dell’Università di Glasgow ha deciso di affrontare il problema. Lavorando da una prospettiva ottica, hanno sviluppato e testato un nuovo algoritmo di imaging fantasma, scoprendo che potevano produrre un'immagine con risoluzione e contrasto migliorati utilizzando un'illuminazione a flusso inferiore, che potrebbe ridurre i danni al campione.

La ricerca è stata pubblicata il 21 dicembre su Intelligent Computing.

La modulazione ottica è necessaria per ottenere un migliore controllo delle strategie di illuminazione. La modulazione in ottica è il processo di variazione delle proprietà delle onde luminose per codificare le informazioni. Viene utilizzato nei sistemi di comunicazione ottica e in varie applicazioni, come la spettroscopia e l'imaging. Da tempo nel campo dell'ottica sono disponibili modulatori di vario tipo.

Tuttavia, i modulatori non sono disponibili per la microscopia elettronica. È ancora difficile ottenere un controllo complesso di fase e ampiezza per ridurre l'aberrazione di fase per il miglioramento continuo dell'imaging nel campo della microscopia elettronica.

Gli autori hanno applicato l’imaging fantasma computazionale, un approccio ottico, alla microscopia elettronica e hanno progettato un nuovo algoritmo per affrontare questo problema. L'approccio inverte la conoscenza dei modelli proiettati e la loro trasmissione misurata per ricostruire l'immagine. Questo può essere utilizzato per misurare la trasmittanza del campione quando illuminato con schemi spaziali più complessi.

In questo sistema, la forma risultante del campo luminoso nel piano dell'oggetto può essere calcolata utilizzando tecniche di propagazione numerica del fascio che consentono implementazioni sia senza lenti che a campo lontano. Pertanto, l'imaging fantasma computazionale può essere utilizzato per l'imaging al microscopio elettronico a trasmissione.

Nei metodi ottici, è possibile utilizzare modulatori spaziali della luce per garantire l'ortogonalità dei modelli di imaging. È, tuttavia, difficile garantire l'ortogonalità tra i modelli quando si utilizza la diffusione naturale o modulatori altamente limitati. Questo nuovo algoritmo progettato dagli autori fa un uso ottimale dei modelli indipendentemente dalla loro ortogonalità. Chiamano il loro nuovo metodo "imaging fantasma ortogonalizzato".

Gli autori hanno testato il loro metodo in due modi. Innanzitutto, hanno condotto un esperimento ottico analogo al sistema di microscopia elettronica a trasmissione. Questo esperimento ha testato la strategia di illuminazione e la robustezza dell'algoritmo alla non ortogonalità. Successivamente, hanno testato il loro metodo con la microscopia elettronica a trasmissione.

Gli esperimenti hanno dimostrato che l'algoritmo di imaging dei fantasmi degli autori produce una ricostruzione dell'immagine ad alta risoluzione con un contrasto migliore rispetto al più comune algoritmo di imaging dei fantasmi online. Il nuovo algoritmo migliora le capacità di imaging a qualsiasi lunghezza d'onda ed è resistente alla non ortogonalità dei set di pattern, consentendo un'applicazione efficace sia nella microscopia ottica che in quella elettronica.

In un'appendice al loro articolo, gli autori evidenziano alcuni risultati relativi ai danni ai campioni del microscopio elettronico, che potrebbero essere ridotti utilizzando il loro metodo. Lo sviluppo futuro può essere utilizzato per ottimizzare ulteriormente la risoluzione o la velocità dell'imaging al microscopio ottico ed elettronico.