光纤成像：超出分辨率和速度的限制

荷兰纳米光刻高级研究中心（ARCNL）和阿姆斯特丹自由大学（Vrije Universiteit Amsterdam）的研究人员，开发出了一种紧凑的装置，可通过超薄光纤进行快速、超高分辨率的显微镜探测。使用智能信号处理，他们突破了分辨率和速度的理论极限。由于该方法不需要任何特殊的荧光标记，因此对于医学应用和纳米光刻中三维3D结构的表征都具有相当前景。该研究结果发表在最近的《自然》杂志《光：科学与应用》分刊上。

Lyuba Amitonova说：“纳米级成像受到所用光的波长的限制。有多种方法可以克服这一衍射极限，但它们通常需要大型显微镜和困难的加工程序。”这些系统不适用于在生物组织的深层或其他难以到达的地方成像。”

Amitonova最近在ARCNL成立了一个纳米成像和计量学研究小组。她还兼职 VU Amsterdam，在那里她与Johannes de Boer小组一起从事超细纤维内窥镜检查工作。

Amitonova和de Boer开发了一种方法来克服小型系统中的衍射极限，从而实现超分辨率的深组织成像。

如图所示超分辨率光纤成像示意图。来自光纤的随机斑点光束（绿色）多次照射整个样品（右侧）。压缩感测重建无需荧光标记即可提供样品的高分辨率图像，从而在生物成像和纳米平版印刷中提供纳米级探测应用。

逆数据压缩

该研究方法的关键在于，创建一个有意义的图像并不需要数据样本中的所有信息。她说：“想想数码摄影，它使用JPEG压缩格式来限制图片中的数据量。压缩可以删除多达90％的图像，但我们几乎看不到它们之间的区别。” “这是可行的，因为现实生活中的所有常规图像都是稀疏的，这意味着大多数图像点都不包含任何信息。在我们的测量中，我们通过仅获取百分之十的信息以相反的方式使用这种稀疏信息的可用数据，并通过数学计算方法重建整个图像。”

有斑点的光束

在传统的显微镜检查中，通常会逐点照射样品以产生整个样品的图像。这需要大量时间，因为高分辨率图像需要许多数据点。 Amitonova开发的方法使用一种能产生斑点激光束的光纤，该激光束可以以随机方式同时照射样品中的许多区域。然后将样本反射的多面光收集为单个数据点，通过计算从中提取相关信息。她说： “在逐点照明的情况下，获取256个数据点将得到256像素的图像。使用我们的方法，相同数量的测量可以生成大约20倍像素的图像，”“因此，压缩成像要快得多，但是我们也证明了它能够分辨比传统衍射极限成像所能分辨的小两倍以上的细节。”

无标签感应

该方法的开发考虑了微创生物成像。但这对于纳米光刻技术中的传感应用也非常具有前途，因为它不需要荧光标记，而荧光标记是其他超分辨率成像方法所必需的。 她说：“光纤的紧凑性使其非常便于开发纳米光刻的计量工具。基于光纤的探头可提供高分辨率和大视野的独特组合，可轻松用于难以发展的地方。进一步开发这种方法将有望带来更高的分辨率和速度。计量工具和医学诊断是最有可能从该研究的发现中受益的领域。”

原文链接：https://phys.org/news/2020-05-fiber-imaging-limits-resolution.html