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CCD的發(fā)明對(duì)人類(lèi)生活帶來(lái)極大影響，它徹底改變了人類(lèi)探測(cè)圖像信號(hào)的方法。這一技術(shù)也因此獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在CCD成像中，由于其結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)為行列傳輸，因此矩形正交像素最為常見(jiàn)。而在光學(xué)成像中，由于透鏡的制備工藝要求，普遍運(yùn)用到了圓形的透鏡。這使得光學(xué)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)和光學(xué)傳遞函數(shù)均呈現(xiàn)圓形特征。

近日，北京大學(xué)工學(xué)院席鵬課題組對(duì)CCD成像的頻域采樣特性進(jìn)行了深入研究。CCD的像素排列使其傅里葉域自然呈現(xiàn)了矩形結(jié)構(gòu)；當(dāng)光學(xué)傳遞函數(shù)小于矩形的邊長(zhǎng)時(shí)，在對(duì)角線(xiàn)方向可以獲取更高的頻域信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)角頻域增強(qiáng)。利用這一原理，將采樣進(jìn)行多次對(duì)角拼合，可以獲得約1.4倍的分辨率提升。相關(guān)研究近日發(fā)表在國(guó)內(nèi)光學(xué)領(lǐng)域知名學(xué)術(shù)期刊Advanced Photonics（原文鏈接：https://doi.org/10.1117/1.AP.2.3.036005 ）。

利用FDDE原理實(shí)現(xiàn)的超越正交采樣分辨率。樣品為血細(xì)胞涂片

為了驗(yàn)證這一技術(shù)，研究者首先進(jìn)行了無(wú)透鏡顯微成像。傳統(tǒng)成像通過(guò)透鏡將物體的實(shí)像傳遞到CCD平面進(jìn)行成像，而無(wú)透鏡顯微成像技術(shù)直接將物體放置在CCD器上實(shí)現(xiàn)成像。無(wú)透鏡成像是一種新興的基于同軸全息的光學(xué)成像技術(shù)，它具有成本低、體積小的優(yōu)點(diǎn)，且不受傳統(tǒng)透鏡成像的空間帶寬積的限制，可以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)下的高分辨率成像，因此在病理切片成像領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，并有助于提高欠發(fā)達(dá)地區(qū)的醫(yī)療檢測(cè)水平。然而，無(wú)透鏡顯微成像的分辨率主要受限于探測(cè)器的像素尺寸，而傳統(tǒng)的XY平移像素超分辨顯微技術(shù)需要精度較高的電動(dòng)平移臺(tái)，不利于降低設(shè)備成本和拓展應(yīng)用領(lǐng)域。

為了驗(yàn)證技術(shù)的性能，研究人員搭建了頻域?qū)蔷€(xiàn)擴(kuò)展成像平臺(tái)，以2.2微米像素大小的CMOS作為探測(cè)器的無(wú)透鏡顯微鏡，并將探測(cè)器固定在手動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上。利用對(duì)角線(xiàn)方向上頻域范圍是水平方向1.4倍的特性，僅利用物理手段將探測(cè)器對(duì)角線(xiàn)方向上的分辨率提高到1.4倍，分辨率達(dá)到1.5像素，而傳統(tǒng)理論中，該系統(tǒng)的分辨率被限制在2個(gè)像素。在這個(gè)理論基礎(chǔ)上，通過(guò)將探測(cè)器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在不同相對(duì)角度上對(duì)樣本進(jìn)行無(wú)透鏡成像。再通過(guò)傅里葉域融合，將不同方向上采集的原始圖像的高頻信息融合，并形成一張超分辨圖像。研究人員首先測(cè)試了分辨率板的成像效果，實(shí)驗(yàn)證明FDDE有利于將分辨率提高1.3倍左右。隨后研究人員利用FDDE對(duì)小鼠上皮切片和血細(xì)胞涂片進(jìn)行了成像。在血細(xì)胞成像實(shí)驗(yàn)中，利用FDDE技術(shù)可以清楚地分辨出大多數(shù)血細(xì)胞的環(huán)形結(jié)構(gòu)。同時(shí)，F(xiàn)DDE技術(shù)還應(yīng)用到了傳統(tǒng)的鏡頭成像當(dāng)中，并在對(duì)焦方向測(cè)量到了1.4倍的分辨率增強(qiáng)。

席鵬課題組近年來(lái)致力于超分辨技術(shù)的開(kāi)發(fā)，如：1) 利用反射駐波軸向超分辨技術(shù)(MEANS)發(fā)表在Light: Science and Applications期刊，并得到Nature Photonics的研究亮點(diǎn)評(píng)價(jià)(https://www.nature.com/articles/nphoton.2016.130)；2) 利用偏振特性的熒光偶極子超分辨技術(shù)(SDOM)發(fā)表在Light: Science and Applications期刊，并得到Nature Methods的高度評(píng)價(jià)(https://www.nature.com/articles/nmeth.4061)；3) 開(kāi)發(fā)了減幀SIM技術(shù)來(lái)提升結(jié)構(gòu)光成像的速率2倍以上(IEEE TIP2018)；4) 將熒光偏振與結(jié)構(gòu)光照明顯微結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了超分辨在偏振和空間兩個(gè)維度上的提升。相關(guān)工作發(fā)表在Nature Communications期刊（https://www.nature.com/articles/s41467-019-12681-w ），并得到Nature Methods的研究亮點(diǎn)評(píng)價(jià)（https://www.nature.com/articles/s41592-019-0682-6）。

北京大學(xué)席鵬研究員是本工作的通訊作者，第一作者姜杉博士在北京大學(xué)進(jìn)行博士后研究。本文實(shí)驗(yàn)由北京大學(xué)博士生關(guān)美玲、徐鑫舳、清華大學(xué)博士后吳嘉敏、悉尼科技大學(xué)博士生房國(guó)成合作完成。本工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、北京市科委杰出青年科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金的資助。