Wetenschappers van ITMO University en Tampere University of Technology hebben de computationele beeldvorming van optische signalen in lensloze microscopen verbeterd. Door gebruik te maken van speciale algoritmen, ze verhoogden de resolutie van verkregen beelden zonder enige verandering in de technische kenmerken van microscopen.

Lensloze computermicroscopie maakt het mogelijk om transparante objecten te visualiseren of hun vorm in drie dimensies te meten. Dergelijke microscopen hebben geen lenzen of objectieven die licht op een beeldsensor richten. In plaats daarvan, lensloze microscopen vertrouwen op het meten van diffractiepatronen die het gevolg zijn van het verlichten van een object met laser- of LED-licht. Het beeld dat uit deze patronen wordt verkregen, wordt gegenereerd met behulp van een computationele benadering. Speciale algoritmen maken het mogelijk om een ​​optisch beeld te genereren en het optische signaal zelf te verbeteren. Het produceert dus afbeeldingen met een hogere resolutie met alleen wiskundige methoden zonder fysieke veranderingen aan microscopen.

Een internationaal team van wetenschappers uit Rusland en Finland wendde zich tot computationele methoden om het gezichtsveld uit te breiden, een cruciaal kenmerk van elke microscoop. Bij traditionele microscopie een objectief focust licht van een klein objectgebied naar een groter gebied waar het beeld wordt vastgelegd. Dus, het beeldformaat lijkt groter te zijn. Het is onmogelijk, echter, om de grootte van de beeldsensor zelf te wijzigen. Dit is waar computationele middelen in het spel komen, waardoor onderzoekers deze fysieke beperking kunnen overwinnen en het gezichtsveld kunnen vergroten.

Hiertoe, verschillende diffractiepatronen moeten door de camera worden geregistreerd. Om de taak uit te voeren, wetenschappers gebruikten speciale filters die fasemaskers worden genoemd, die gewoonlijk op een computer worden gesynthetiseerd en in het optische pad van de microscoop worden ingevoerd met behulp van een ruimtelijke lichtmodulator. Nadat de diffractiepatronen waren verwerkt, de wetenschappers hebben het gezichtsveld en daarmee de resolutie van het opgehaalde beeld kunstmatig vergroot.

"We hebben de wiskundige methode van schaarse representatie van signaal gebruikt. Een eenvoudig voorbeeld kan helpen begrijpen hoe het werkt. Stel je voor dat je een rasterpapier hebt en je kiest een vierkant gebied van acht bij acht. Als je het signaal in deze acht bij acht registreert vierkant, dan wordt de opgehaalde afbeelding op dezelfde manier gediscretiseerd. Maar als het signaal aan bepaalde eisen van schaarsheid voldoet, je kunt mogelijk hetzelfde acht bij acht-signaal gebruiken om alle ontbrekende informatie over hetzelfde object te herstellen, maar met een kleinere discrete mesh van 16x16 of zelfs 32x32. Tegelijkertijd, de resolutie zal dienovereenkomstig verdubbelen of verviervoudigen. Bovendien, ons rekenalgoritme breidt het signaal uit buiten het registratiegebied. Dit houdt in wezen in dat er extra pixels verschijnen rond ons vierkant van acht bij acht, waardoor het gezichtsveld wordt vergroot, " zegt Nikolaj Petrov, een van de auteurs van de studie en hoofd van het Laboratory of Digital and Display Holography aan de ITMO University.

De nieuwe aanpak stelt wetenschappers in staat om de beeldresolutie te verbeteren zonder enige wijziging in de kwaliteit van de beeldsensor en andere microscoopcomponenten. Dit, beurtelings, suggereert aanzienlijke zuinigheid en goedkopere microscopen in de toekomst.

"Wat de trend lijkt te zijn in dit onderzoeksgebied, is de vereenvoudiging en optimalisatie van optische systemen. Om nog meer optimalisatie te bereiken, we moeten de ruimtelijke lichtmodulator uit het systeem verwijderen en het aantal maskers-filters verminderen. Een van de voor de hand liggende manieren om deze doelen te bereiken, is het gebruik van een enkel filter met opeenvolgende bewegingen. Dit maakt onze lensloze computermicroscoop nog goedkoper, aangezien de ruimtelijke lichtmodulator het duurste element is in dergelijke systemen, " zegt Igor Shevkunov, co-auteur van de studie en onderzoeker bij het Laboratory of Digital and Display Holography en Fellow aan de Tampere University of Technology.

Verbetering van lensloze computermicroscopie is een stap in de richting van onderzoek van hogere kwaliteit in de biologie, scheikunde, geneeskunde en andere gebieden.