Single Pixel microscope for biological samples analysis

Abstract

A técnica de imagiologia de pixel único permite reconstruir imagens bidimensionaise tridimensionais recorrendo à utilização de um único detetor. Para obter este tipo deimagens, é utilizada uma câmara de pixel único. A estrutura destas câmaras é bastantesimples uma vez que, possui três componentes principais entre as quais, uma fonte de luz,um modulador e um fotodetetor. E, pode ser reformulada em diferentes arquiteturas dependendoda aplicação onde é utilizada, nomeadamente imagiologia de raio-x, imagiologiade fluorescência e fosforescência, microscopia, entre outras.No campo da microscopia, as câmaras de pixel único podem ser construídas utilizandodois tipos de configuração: a iluminação estruturada ou a deteção seletiva da luz. Naconfiguração de iluminação estruturada é utilizado um sistema de projeção de forma ailuminar um alvo, enquanto que na deteção seletiva da luz, utiliza-se um modulador deluz que seleciona apenas parte desta, que o alvo refletiu ou transmitiu previamente.Neste trabalho foi desenvolvido um protótipo de um microscópio de correção infinitabaseado numa câmara de pixel único que permite analisar diversas amostras. Esteprotótipo foi construído com base na configuração de deteção seletiva da luz e tem na suaconstituição um Dispositivo de Microespelhos Digital (DMD), um sistema de aquisição eum detetor de luz, que neste caso é um fotodíodo.Foram então testados vários alvos. A luz transmitida pelos alvos foi direcionadaa uma objetiva e a uma tube lens, que converge os raios de luz de forma a criar umaimagem do alvo no DMD. Neste dispositivo, são projetados padrões de Hadamard quefiltram parte da luz e a refletem a 12◦ em direção ao fotodíodo. A luz que chega aofotodetetor é registada pelo sistema de aquisição, a fim de elaborar posteriormente oprocessamento do sinal. Aqui, foi também testada a aquisição comprimida recorrendo adiferentes percentagens de coeficientes para a reconstrução das imagens.O microscópio foi então caraterizado com recurso a testes que avaliaram as suaspropriedades óticas. O sistema apresentou então uma resolução lateral de 44.19 μm noeixo xx e de 62.50 μm no eixo yy. Em relação ao campo de visão, este apresentou umtamanho de 1.143 mm.Por fim, foi feito um caso de aplicação de forma a testar o microscópio no campo daimagiologia através de meios de dispersão. Quando um meio de dispersão é posicionado emfrente do objeto, os resultados mostram que uma câmara de pixel único funciona melhordo que um sistema de imagem pixelizada tradicional permitindo reconstruir imagens deum alvo de qualidade semelhante, independentemente do alvo estar ou não obscurecidopor vidro areado (o meio de dispersão).Em suma, os valores medidos para a caracterização do microscópio satisfazem os requisitos,o caso de aplicação teve bastante sucesso e este protótipo tem potencial para aobtenção de imagens com boa resolução e com um custo muito menos elevado comparandocom outras técnicas.

The single-pixel imaging technique allows to reconstruct two-dimensional and threedimensionalimages by using a single detector. To obtain this type of image, a singlepixelcamera is used. The structure of these cameras is quite simple since it has threemain components: a light source, a modulator, and a photodetector. Furthermore, it canbe reformulated in different architectures depending on the application where it is used,namely X-ray imaging, fluorescence and phosphorescence imaging, and microscopy, amongothers.In the field of microscopy, single-pixel cameras can be built using two types of configuration:structured illumination or selective light detection. In the structured illuminationconfiguration, a projection system is used to illuminate a target, while in selective lightdetection, a light modulator is used to select only the part of the light that the target haspreviously reflected or transmitted.In this work, a prototype of an infinity-corrected microscope based on a single-pixelcamera that allows the analysis of several samples was developed. This prototype wasbuilt based on the configuration of selective light detection and has in its constitution aDigital Micro-mirror Device (DMD), an acquisition system, and a light detector, which inthis case is a photodiode.Several targets were then tested. The light transmitted by the targets was directedto an objective and a tube lens, which converges the light rays in order to create an imageof the target on the DMD. In this device, Hadamard patterns are projected that filtersome of the light and reflect it at 12◦ towards the photodiode. The light arriving at thephotodetector was recorded by the acquisition system in order to elaborate the signalprocessing later. Here, the compressive sensing technique was also tested, using differentcoefficient percentages for image reconstruction.The microscope was then characterised using tests that evaluated its optical properties.The system presented a lateral resolution of 44.19 μm on the x-axis and of 62.50 μmon the y-axis. Regarding the field of view, it presented a size of 1.143 mm.Finally, an application case was made to test the microscope in the imaging fieldthrough scattering media. When a scattering media is positioned in front of the object, theresults show that a single-pixel camera works better than a traditional pixelated imagingsystem to reconstruct images of a target of similar quality, regardless of whether or not the target is obscured by sandblasted glass (the scattering media).In summary, the values measured for the microscope characterisation satisfy the requirements,the application case was very successful and this prototype has the potentialto obtain images with a good resolution and at a much lower cost compared to othertechniques.