Microscopie is een essentieel hulpmiddel in meerdere onderzoeksgebieden en industrieën, zoals biologie, medicijn, materiaal kunde, en kwaliteitscontrole, om er een paar te noemen. Hoewel er veel microscopietechnieken bestaan, elk heeft voor- en nadelen, meestal in termen van ruimtelijke resolutie, snelheid (beelden per seconde), en toepasbaarheid. Bijvoorbeeld, scanning elektronenmicroscopie kan beelden vastleggen met nanometrische resolutie, maar het biedt een lagere snelheid en is onpraktisch voor bepaalde monsters. Andere eenvoudigere op licht gebaseerde microscopietechnieken, zoals fluorescentiemicroscopie, zijn niet geschikt voor het visualiseren van levende cellen of andere kleine structuren omdat deze over het algemeen transparant en dun zijn, wat resulteert in een lage lichtabsorptie.

Wetenschappers hebben een techniek ontwikkeld die synthetische apertuurmicroscopie (SAM) wordt genoemd. die gebruik maakt van een intrinsieke eigenschap van licht, fase genoemd. Deze eigenschap verwijst naar de relatieve vertraging tussen twee elektromagnetische golven. Wanneer lichtgolven door een doelmonster gaan, hun relatieve fasen veranderen anders volgens de optische eigenschappen op elk punt in het monster en de invalshoek van het licht. in SAM, meerdere fasebeelden kunnen snel achter elkaar worden gemaakt met verschillende invalshoeken. Deze beelden worden vervolgens verwerkt en gecombineerd om een ​​scherper beeld te vormen.

Hoewel SAM ongetwijfeld een veelbelovende aanpak is, huidige implementaties missen zowel ruimtelijke resolutie als framesnelheid om nuttig te zijn voor opkomende toepassingen. Om deze problemen aan te pakken, een team van onderzoekers onder leiding van Renjie Zhou van de Chinese Universiteit van Hong Kong heeft onlangs een nieuwe SAM-methode ontwikkeld. In hun studie hebben gepubliceerd in Geavanceerde fotonica , het team presenteert een innovatieve opstelling voor SAM-beeldvorming op basis van digitale microspiegelapparaten (DMD's).

DMD's zijn elektronische componenten die veel worden gebruikt in commerciële digitale projectoren. Ze hebben een matrix van microspiegels waarvan de oriëntatie individueel en elektronisch kan worden geregeld bij hoge snelheden. Met behulp van twee DMD's en geschikte lenzen, de onderzoekers bedachten een schema waarin de hoek van een laserstraal die het monster bereikt duizenden keren per seconde kan worden veranderd. Zodra het licht door het monster is gegaan, het wordt gecombineerd met een deel van de originele laser om een ​​lichtpatroon te produceren dat bekend staat als een interferogram, die de fase-informatie draagt. Om het beeld van de laatste fase te maken, meerdere interferogrammen voor verschillende invalshoeken worden gecombineerd met speciaal ontworpen algoritmen.

De onderzoekers testten hun nieuwe methode met behulp van verschillende soorten monsters, zoals nanometrische roosters, rode bloedcellen, en kankercellen. De resultaten waren over de hele linie veelbelovend, zoals Zhou opmerkt, "Door onze op DMD gebaseerde aanpak te gebruiken, we konden materiaalstructuren nauwkeurig afbeelden met kenmerken zo klein als 132 nm, kwantificeer millisecondenfluctuaties in de membranen van rode bloedcellen, en observeer dynamische veranderingen in cellulaire structuur als reactie op blootstelling aan chemicaliën." Deze techniek is ook labelvrij, wat betekent dat men levende cellen kan observeren zonder ze te beschadigen met fluorescerende chemicaliën.

Een ander opmerkelijk voordeel van deze nieuwe methode is de annulering van laserspikkel, een soort ongewenste interferentie die optreedt bij het belichten van een monster met een laser. Het gebruik van meerdere interferogrammen om één afbeelding te berekenen, strijkt de willekeurige bijdragen van spikkels in elk interferogram glad, waardoor het uiteindelijke samengestelde beeld scherper wordt. Bovendien, men kan de beeldsnelheid indien nodig verhogen door een lager aantal interferogrammen te gebruiken, zolang de gewenste beeldkwaliteit wordt bereikt.

Zhou gelooft dat hun SAM-methode een game changer kan zijn op verschillende gebieden waar microscopie essentieel is, "We stellen ons voor dat onze snelle beeldvormingstechniek toepassingen zal vinden in biologie en materiaalonderzoek, zoals het bestuderen van de bewegingen en interacties van levende cellen en het in realtime monitoren van materiaalproductieprocessen voor kwaliteitscontroledoeleinden." Hij merkt ook op dat er ruimte is voor verbetering op het gebied van snelheid door nog snellere camera's te gebruiken, en dat de onderliggende principes van hun aanpak kunnen worden aangepast met verschillende algoritmen om een ​​3D-beeldvormingssysteem te bouwen.