什麼叫可能？最新突破：光纖成像打破解析度和速度的理論上限！

2020-10-18 博科園

文章來自：（www.bokeyuan.net）

納米光刻高級研究中心和阿姆斯特丹Vrije大學的科學家，開發出一種通過超薄光纖進行快速、超解析度顯微鏡的微型裝置。使用智能信號處理，突破了解析度和速度的理論極限，由於該方法不需要任何特殊的螢光標記，因此在醫學應用和納米光刻的三維結構表徵方面都很有前景，其研究成果發表在自然《光：科學與應用》期刊上。

研究作者柳巴·阿米託諾娃(Lyuba Amitonova)說：納米尺度的成像受到所用光線波長的限制。有辦法克服這種衍射限制，但它們通常需要大型顯微鏡和困難的處理程序，這些系統不適合在生物組織深層或其他難以觸及的地方成像。Amitonova在納米光刻高級研究中心（ARCNL）成立了一個納米級成像和計量學研究小組，Amitonova還兼職聯繫到阿姆斯特丹大學，在那裡她在約翰尼斯·德波爾(Johannes De Boer)的團隊中研究用於內窺鏡檢查的超薄纖維。

逆數據壓縮

Amitonova和De Boer已經開發出一種方法，可以克服小型系統中的衍射限制，以實現超解析度的深層組織成像。Amitonova方法的關鍵是：創建有意義的圖像並不需要數據樣本中的所有信息，想想數碼攝影，它使用JPEG壓縮格式來限制照片中的數據量，壓縮可以去除高達90%的圖像，但我們很難看出其中的區別。這是可行的，因為所有傳統的現實物體圖像都是'稀疏的』，這意味著大多數圖像點都不包含任何信息。

在研究的測量中，以相反的方式利用這種稀疏信息，只獲取可用數據的10%，並通過數學計算方法重建整個圖像。在傳統顯微鏡中，樣品通常是逐點照明的，以生成整個樣品的圖片。這需要很長時間，因為高解析度圖像需要很多數據點。Amitonova和De Boer開發的方法，使用了一種產生斑點雷射束的光纖，允許以隨機的方式同時照射樣品許多區域。然後，將樣品反射的多面光收集為單個數據點，通過計算從該數據點提取相關信息。

超越傳統方法

在逐點照明情況下，獲取256個數據點將產生256個像素的圖像。使用該方法，相同數量的測量會產生大約20倍於像素的圖像。因此，壓縮成像的速度要快得多，而且還證明，能夠分辨出比傳統衍射限制成像小兩倍以上的細節。該方法是在考慮到微創生物成像的基礎上開發，但在納米光刻中的傳感應用也非常有前途，因為它不需要螢光標記，而螢光標記是其他超解析度成像方法所必需的。

Amitonova將在納米光刻高級研究中心（ARCNL）進一步發展這一概念：纖維的緻密性使它們非常便於在納米光刻技術中開發測量工具。基於纖維的探針，提供了高解析度和大視野的獨特組合，可以很容易地在難以觸及的地方使用。進一步開發該方法有望帶來更高的解析度和速度，計量工具和醫療診斷是最有可能從這項發現中受益的領域。

博科園｜研究/來自：納米光刻高級研究中心

研究發表期刊《光：科學與應用》

DOI: 10.1038/s41377-020-0308-x

博科園｜科學、科技、科研、科普

關注【博科園】看更多大美宇宙科學

相關焦點

  • 什麼叫可能?最新突破:光纖成像打破解析度和速度的理論上限!
    納米光刻高級研究中心和阿姆斯特丹Vrije大學的科學家，開發出一種通過超薄光纖進行快速、超解析度顯微鏡的微型裝置。使用智能信號處理，突破了解析度和速度的理論極限，由於該方法不需要任何特殊的螢光標記，因此在醫學應用和納米光刻的三維結構表徵方面都很有前景，其研究成果發表在自然《光：科學與應用》期刊上。
  • 關於CMOS解析度上限的探討
    昨天被問到一個有點兒意思的話題：「如果我想用相機拍細菌，而且是很多細菌，放大後還能一個個看清楚，怎樣的成像系統才能滿足？」這個問題最現實的回答是轉接顯微鏡，也能拍到很多活靈活現的細菌。但對方表達的更深一層意思是：CMOS解析度的上限到底有多高？有沒有可能我們隨手一拍，放大放大再放大就看得清細菌（0.5~5微米）級的物體？
  • 超高解析度顯微鏡:顯微鏡發展史上的新突破
    Stefan Hell打破了物理學界的傳統看法 　　自從1873年Ernst Abbe第一次發現光學成像具有衍射限制現象以來，物理學界就公認，顯微鏡的解析度具有極限，該極限與光源的波長有關。直到一個多世紀之後，羅馬尼亞物理學家Stefan Hell推翻了這一觀點。
  • 愛司凱方形網點成像技術原理是什麼,因何會在印刷企業廣受好評
    愛司凱致捷Aurora T256 CTP愛司凱致捷Aurora T256 CTP突破傳統光纖技術限制，將一束雷射分成可獨立控制的256路細小雷射，將製版速度提升至2倍。256路細小雷射掃描在印版上打出方形光點，能量分布呈矩形臺階狀，光點邊緣更加銳利，成像更加清晰，比200lpi的調幅網點細膩準確度提高10倍，色彩飽和度可提高21%以上。
  • 放棄留美,回到中國,34歲的她不斷刷新醫學影像解析度和成像速度的...
    吳丹 先鋒者吳丹憑藉其在醫學影像採集和分析領域取得的一系列成果，榮膺 2019 年《麻省理工科技評論》「35 歲以下科技創新 35 人」中國區得主。獲獎時年齡：34 歲獲獎時職位：浙江大學研究員獲獎理由：為了讓醫生看得更清楚，她不斷刷新醫學影像解析度和成像速度的極限。
  • 新型光學顯微鏡突破解析度極限
    原標題：新型光學顯微鏡突破解析度極限 ）技術，突破了光學顯微成像解析度極限。 　　研究人員在發表於美國《國家科學院學報》的論文中首次證明，多光子螢光和二次同步諧波都能實現超解析度，二者結合使用時，兩個光子被猝滅，發出一個兩倍頻率的光子。他們還開發了專門的多光子—空間頻率調製成像顯微鏡，以HeLa細胞和碲化鎘太陽能電池為樣本，通過螢光和二次諧波同時收集圖像信息，產生了納米級圖像，空間解析度達到2η，超過傳統的多光子顯微鏡。
  • 什麼叫突破理論極限?外星人遊戲本告訴你
    作為一名硬核玩家，對於超頻二字不會陌生，這也是區分硬核玩家和一般玩家的分水嶺。 戴爾 ALIENWARE 17R5給硬核玩家一個全新突破，讓你擁有極致體驗。在此散熱基礎上，ALIENWARE 17 R5擁有更為極致的性能，超越理論上限。
  • 分布光纖測試 打造「最強大腦」
    光纖傳感是20世紀70年代隨著光纖通信的發展而迅速發展起來的新型傳感技術，其以光波為信息載體，不受雷電等電磁幹擾、可靠性好、壽命長、本質安全，特別適合在易燃易爆、高溫、高壓、潮溼、強電磁場、強腐蝕性等惡劣條件下應用。    鑑於光纖傳感應用的廣泛性及其廣闊的市場前景，其研究和開發在世界範圍內引起了高度的重視，各發達國家更是競相研究開發。
  • 光纖通信的傳輸速度為何能如此之快?
    這是我國光纖通信傳輸創下的最新紀錄。前不久，我國科研人員首次實現1.06Pbit/s超大容量單模多芯光纖光傳輸系統實驗，其傳輸容量是目前商用單模光纖傳輸系統最大容量的10倍。那麼，光纖通信的傳輸速度為何能如此之快?光纖通信又是什麼?相比其他通信手段，它的優勢和短板是什麼?
  • 長春光機所突破航天高解析度高光譜成像關鍵技術
    日前，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所突破了航天高解析度高光譜成像關鍵技術。該技術利用離軸三反非球面光學系統、複合稜鏡分光、推掃成像和指向鏡運動補償技術，有效解決了航天高光譜遙感中高空間解析度、高光譜解析度與圖像高信噪比之間的矛盾，突破了視場分離、光譜分光、在軌光譜輻射定標等關鍵技術瓶頸，為我國航天高解析度高光譜成像技術的工程化奠定了技術基礎。
  • 新技術讓X光也能成像軟組織 而且解析度比MRI更高
    【來源：cnBeta.COM】通常情況下，X光用於檢查骨骼情況，而磁共振成像（MRI）和超聲波則用於觀察軟組織。不過一種新興的技術能夠讓X光也能拍攝出軟組織，而且相比較現有技術來說，能夠提供更高的解析度以便於更早揭示腫瘤和其他問題。
  • 理論物理學家計算可能的時間量子化上限
    但是，時間必須是具有普遍性的，我們不能說在經典世界的時間和在量子世界的時間是不一樣的。為了使這兩種理論都正確，必須以合理的方式解釋這種矛盾。一些理論物理學家建議，對於這種表觀差異的一種可能的解釋是，時間可以量化為時空，類似於描述量子引力的理論。在這種情況下，時空不被描述為連續的，而是被劃分為多個較小的單位，這有必要與普朗克長度相對應。
  • 我國實現世界最高解析度單分子拉曼成像
    中國科學技術大學的科學家們在國際上首次實現亞納米分辨的單分子光學拉曼成像，將具有化學識別能力的空間成像解析度提高到前所未有的0.5納米。國際權威學術期刊《自然》雜誌於6月6日在線發表了這項成果。 《自然》三位審稿人盛讚這項工作「打破了所有的紀錄，是該領域創建以來的最大進展」，「是該領域迄今質量最高的頂級工作，開闢了該領域的一片新天地」，「是一項設計精妙的實驗觀測與理論模擬相結合的意義重大的工作」。 來源：中國科學報
  • 科學理論的突破可以將不可能變成可能，論非極限槓桿原理
    原先不可能的事物變成現實靠的科學理論的突破，換句話，不可能的事，也有可能只是因為目前的科學知識沒達到。這就意味著，如果覺得什麼事無法實現？用盡材料，用盡技術，用盡方法研究都沒有任何進展，甚至都要鐵定認為不可能的時候，就可以想到，是不是現有的理論需要突破，需要全新的理論來實現新的發明？於是我做了嘗試，觸碰現實之壁，嘗試用科學理論的突破完成過去不太可能完成的事。
  • 聲波最大速度上限算出
    愛因斯坦的狹義相對論為光波的傳輸速度設定了上限：300000千米/秒，但科學家一直不清楚其「孿生兄弟」——聲波在固體或液體中傳播時是否也有速度上限。英國科學家在最新一期《科學進展》雜誌中指出，他們發現了聲波迄今最大速度上限：約36千米/秒，了解這一值有望讓材料科學等多領域受益。
  • 三十年來重大突破:光學轉化效率提高2個數量級,近場光學納米顯微鏡實現無透鏡針尖增強拉曼成像!
    設計了首例光纖耦合納米線近場光學掃描探針，光激發和信號收集都通過探針實現，無透鏡系統，不需要調光路，大大簡化了高分辨納米光學成像的儀器和操作。3. 首次實現全光纖無透鏡針尖拉曼成像，在簡單的可攜式微型桌面STM上即可達到1nm的針尖拉曼成像解析度。
  • 關於光學成像和光學傳輸的一些新發現
    美國能源部(DOE)布魯克海文國家實驗室的科學家們開發了一種新的三維x射線成像方法，這種方法可以非常詳細地顯示笨重的材料-這是常規成像方法不可能完成的任務。這項新技術可以幫助科學家解開從電池到生物系統等無數物質的結構信息的線索。
  • 美國研發小型遙感光纖成像光譜儀 或將運用醫學等領域
    美國萊斯大學開發了小型遙感光纖成像光譜儀，以捕獲30000個採樣點，每個採樣點包含60多個波長。無需掃描就能立即獲得光譜信息。能快速成像，該光譜儀未來有望於無人機，農作物監測，汙染監測，可以提高醫學診斷測試的效率。
  • 天文觀測的最新發現與現有物理理論革命性突破的可能?
    這被看作是愛因斯坦相對論以及其他任何有意義的物理理論的思想出發點？我們希望得到某種普適性的理論！至少在其適用邊界之內是可以信賴的！牛頓力學中萬有引力常數G被假定為是整個宇宙空間內的一個不變量。廣義相對論則是以光速不變性原理作為基本的邏輯支撐，量子力學描述的微觀世界中，能量的離散程度則以恆定的普朗克常數為標誌。物理定律中的常數，作為物理理論的基本假定，無法證明的但可以被實驗觀測所證偽。
  • 超快光纖雷射技術：基於多芯光纖的雷射系統
    使用大模場面積光纖可以提升放大功率，但較大的模面積會引入高階模式，在高泵浦功率下出現橫模不穩定影響光斑質量。多路雷射的相干合成是一種提升光纖單纖芯放大功率上限的方案，可以顯著增加輸出雷射的平均功率，但不足之處在於需要相位反饋系統補償各路雷射間的相位差，裝置更加複雜。