构建无透镜显微镜

理解光学显微镜在低放大倍数下的工作原理相对容易：一个透镜放大图像，下一个透镜放大已被放大的图像，如此反复，直到图像到达眼睛或传感器。然而，在高放大倍数下，当样本的特征尺寸接近光学系统的衍射极限时，这个模型就开始失效。在最近的一段视频中，[xoreaxeax]构建了一台简单的显微镜，然后又设计了另一台显微镜，以在没有透镜或镜子的情况下克服衍射极限（视频为德语，但配有自动英语字幕）。

视频的第一部分回顾了透镜的工作原理以及如何组合透镜来放大图像。第一台显微镜由相机镜头制成，能够分辨洋葱细胞。物镜的焦距越短，放大倍数就越大，而球面透镜能提供最短的焦距。因此，[xoreaxeax]用喷枪熔化了一小块钠钙玻璃自制了一个球面透镜。它给出的图像虽然模糊，但放大倍数很高。

衍射的影响与可视化

除了熔化玻璃碎片导致的透镜质量不佳外，在如此高的放大倍数下，部分模糊是由于样本充当了衍射光栅，将一部分光线导向了物镜视野之外。[xoreaxeax]通过拍摄一系列激光穿过针孔在不同焦距下的照片来可视化这种现象，从而获得了从针孔发出的光场的横截面图。当对洋葱皮切片重复此过程时，可以明显看出衍射强烈地散射了光线，这意味着部分光线被衍射到了透镜的视野之外，导致细节丢失。

算法恢复细节

为了恢复丢失的细节，[xoreaxeax]取消了透镜，直接捕捉光线穿过样本时产生的干涉图案，然后编写了ptychography算法，从干涉图案中重构出原始结构。这需要在不同光照条件下拍摄样本的许多图像，一个旋转照明台实现了这一要求。该算法最终能够恢复出洋葱细胞的某种图像，但清晰度仍然欠佳。尽管如此，无透镜装置能够产生任何图像这一事实本身就令人印象深刻。

要了解另一种ptychography方法，可以参考[Ben Krasnow]提高显微镜分辨率的技术。使用电子显微镜时，ptychography甚至可以对单个原子进行成像。