Derivative optical imaging technique via transmission and reflection with single-element photodetector

Abstract

Resumo: Microscópios desempenham um papel fundamental nas ciências, especialmente na saúde e na ciência dos materiais. O desenvolvimento e aprimoramento dos sistemas de microscopia impactam diretamente essas áreas, justificando o esforço contínuo para criar instrumentos melhores. Com o advento dos lasers, tornou-se mais fácil utilizar processos ópticos não lineares que permitem a obtenção de imagens com maior resolução. Técnicas como SPIFI (Spatial Frequency-modulated Imaging) ganharam reconhecimento por sua configuração simples, aquisição rápida, compatibilidade com meios dispersores e capacidade de obter imagens de alta resolução. Este método de imagem é baseado na detecção de uma linha focal de um feixe de laser focado por uma lente cilíndrica, usando um detector de elemento único. Cada ponto dessa linha é modulado por uma máscara rotativa, correspondendo a uma frequência temporal única. Ao realizar uma integração temporal do sinal coletado pelo detector e aplicar uma Transformada de Fourier, esse sinal pode ser transformado em um mapeamento espacial das localizações únicas ao longo da linha geométrica. Em busca de novas técnicas, propomos o Derivative Optical Imaging Technique (DOIT), baseada no SPIFI. O DOIT usa um fotodetector de elemento único e um chopper óptico para modular o feixe, com características espaciais codificadas temporalmente. O sinal do objeto, capturado pelo detector de elemento único, é analisado por meio de derivadas temporais para revelar sua organização espacial. Neste trabalho, desenvolvemos o DOIT para coletar sinais por meio de transmissão. Além disso, criamos uma variação chamada Re- DOIT (Reflective DOIT), que coleta informações refletidas pela amostra. Apresentamos os princípios de funcionamento desses microscópios, bem como resultados que indicam a viabilidade dessas técnicas e possíveis aplicações

Abstract: Microscopes play a fundamental role in the sciences, particularly in healthcare and materials science. The development and enhancement of microscopy systems directly impact these fields, justifying the continuous effort to create better instruments. With the advent of lasers, it has become easier to utilize nonlinear optical processes that enable higher-resolution images. Techniques such as SPIFI (SPatIal Frequency-modulated Imaging) have gained recognition for their simple setup, fast acquisition, compatibility with scattering media, and ability to obtain high-resolution images. This imaging method is based on the detection of a focal line from a laser beam focused by a cylindrical lens, using a single-element detector. Each point on this line is modulated by a rotating mask, corresponding to a unique temporal frequency. By performing a temporal integration of the signal collected by the detector and applying a Fourier Transform, this signal can be transformed into a spatial mapping of the unique spatial locations along the geometric line. In search of new techniques, we propose the Derivative Optical Imaging Technique (DOIT), based on SPIFI. DOIT uses a single photodetector and an optical chopper to modulate signals, with spatial characteristics temporally encoded. The object’s signal, captured by the single-element detector, is analyzed through temporal derivatives to reveal its spatial organization. In this work, we developed DOIT to collect signals through transmission. Additionally, we created a variation called ReDOIT (Reflective DOIT), which collects information reflected by the sample. We present the operating principles of these microscopes as well as results that indicate the feasibility of these techniques and possible applications