Эндоскопия со спекл-структурированной подсветкой с повышенным разрешением при широком поле зрения и глубине резкости

11 мая 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

корректура

от Compuscript Ltd.

Визуализация со сверхвысоким разрешением была горячей темой в течение последних нескольких десятилетий в сообществе специалистов по визуализации, особенно в области микроскопии. Несмотря на то, что в области микроскопической визуализации было достигнуто несколько интересных достижений, остается большой разрыв между сообществом микроскопической визуализации и сообществом эндоскопической визуализации.

Двумя основными параметрами визуализации, которые устраняют существующий пробел, являются получение и обработка изображений в широком поле зрения (FOV) и большой глубине резкости (DOF), что обычно является узким местом, которое необходимо обойти при попытке достичь сверхразрешения в изображений. В микроскопии метод, позволяющий достичь широкого поля зрения с высоким временным разрешением и низкой фототоксичностью, называется микроскопией со структурированным освещением (SIM). Стандартная SIM-карта может улучшить пространственное разрешение примерно в два раза по сравнению с дифракционным пределом оптической системы.

Поскольку SIM стремится достичь очень высокого пространственного разрешения, глубина резкости обычно очень мала. Это означает, что SIM требует высокого уровня контроля дистанции фокусировки, что является одним из практических ограничений для приложений микроскопии. Напротив, при эндоскопической визуализации исключительно широкое поле зрения и большая глубина резкости имеют решающее значение из-за самой природы эндоскопической визуализации и образцов, которые они отображают и исследуют. Следовательно, изучение возможности достижения сверхразрешения эндоскопических изображений при широком поле зрения и большой глубине резкости представляет большой интерес.

В этой работе исследуется новый метод, называемый эндоскопией со спекл-структурированным освещением (SSIE). В исследовании, опубликованном в журнале Opto-Electronic Advances, авторы вводят два волокна в стандартный эндоскоп белого света (WLE), чтобы доставлять спеклы высокого разрешения для освещения объекта. Случайные спекл-паттерны генерируются в результате интерференции лазерного света из двух волокон. Камера WLE собирает несколько изображений со стандартным разрешением, а затем подвергает их алгоритму реконструкции для получения единого изображения со сверхвысоким разрешением.

Широкий угол обзора и большая глубина резкости получены в этом исследовании наряду со сверхразрешением за счет создания оптических источников света, а именно многомодовых волокон, передающих случайные диаграммы освещения от лазера в ориентации, которая не только покрывает широкое поле зрения и степень свободы, но и приводят к интерференции под большим углом между лучами освещения, что способствует достижению сверхразрешения при визуализации. Исследование исследуется как на плоских, так и на неплоских поверхностях, что подтверждает цель SSIE - получение изображений с большой глубиной резкости.

Кроме того, с теоретической точки зрения, которая также рассматривается в этом исследовании, поле зрения и глубина резкости могут быть расширены до настолько больших размеров, насколько позволяет WLE. Кроме того, SSIE не требует строгого контроля диаграмм освещенности, протоколов калибровки или фокусирующей оптики, как в случае SIM, что значительно упрощает экспериментальную установку.

В этом исследовании продемонстрировано увеличение разрешения в 2–4,5 раза при широком поле зрения и глубине резкости по сравнению с системным пределом стандартного WLE. Результаты экспериментов в исследовании указывают на потенциал SSIE в предоставлении уникального пути к суперразрешению при эндоскопической визуализации с широким полем зрения и степенями свободы, что может быть полезно для практики клинической эндоскопии. В более широкой перспективе этот метод визуализации также может быть адаптирован в других аналогичных областях биомедицинских, медицинских и камерных систем, где высокое разрешение при широком поле зрения и глубине резкости является предпочтительным или критическим.