Forskare från ITMO University och Tammerfors tekniska universitet har förbättrat beräkningsavbildning av optiska signaler i linslösa mikroskop. Genom att använda speciella algoritmer, de ökade upplösningen för erhållna bilder utan några förändringar i mikroskopens tekniska egenskaper.
Linslös beräkningsmikroskopi gör det möjligt att visualisera genomskinliga föremål eller mäta deras form i tre dimensioner. Sådana mikroskop har inga linser eller mål som fokuserar ljuset på en bildsensor. Istället, linsfria mikroskop förlitar sig på att mäta diffraktionsmönster som uppstår genom att belysa ett föremål med laser- eller LED -ljus. Bilden som erhålls från dessa mönster genereras genom att använda en beräkningsmetod. Speciella algoritmer gör det möjligt att generera en optisk bild och förbättra själva den optiska signalen. Det producerar alltså bilder med högre upplösning med endast matematiska metoder utan fysiska förändringar i mikroskop.
Ett internationellt team av forskare från Ryssland och Finland vände sig till beräkningsmetoder för att utöka synfältet, en avgörande egenskap hos alla mikroskop. I traditionell mikroskopi, ett objekt fokuserar ljus från ett litet objektområde till ett större område där bilden fångas. Således, bildstorleken verkar öka. Det är omöjligt, dock, för att ändra storleken på själva bildsensorn. Det är här beräkningsmedel spelar in, låta forskare övervinna denna fysiska begränsning och utöka synfältet.
För detta ändamål, flera olika diffraktionsmönster måste registreras med kamera. För att utföra uppgiften, forskare använde specialfilter som kallas fasmasker, som vanligtvis syntetiseras på en dator och matas in i mikroskopets optiska väg med hjälp av en rumslig ljusmodulator. När diffraktionsmönstren väl hade bearbetats, forskarna ökade artificiellt synfältet och följaktligen upplösningen av den hämtade bilden.
"Vi använde den matematiska metoden för gles representation av signal. Ett enkelt exempel kan hjälpa till att förstå hur det fungerar. Tänk dig att du har ett rutnät och väljer ett kvadratområde på åtta gånger åtta. Om du registrerar signalen i detta åtta med åtta fyrkant, då kommer den hämtade bilden att diskretiseras på samma sätt. Men om signalen uppfyller vissa krav på gleshet, du kan eventuellt använda samma åtta gånger åtta signal för att återställa all saknad information om samma objekt, men med ett mindre diskret nät på 16x16 eller till och med 32x32. På samma gång, upplösningen kommer att dubbla eller fyrdubblas på motsvarande sätt. Dessutom, vår beräkningsalgoritm utökar signalen bortom registreringsområdet. Detta innebär i huvudsak utseendet på extra pixlar runt vår åtta gånger åtta kvadrat, vilket därför utökar synfältet, "säger Nikolay Petrov, en av författarna till studien och chef för Laboratory of Digital and Display Holography vid ITMO University.
Det nya tillvägagångssättet gör det möjligt för forskare att förbättra bildupplösningen utan några ändringar i kvaliteten på bildsensorn och andra mikroskopkomponenter. Detta, i tur och ordning, föreslår betydande ekonomi och billigare mikroskop i framtiden.
"Det som verkar vara trenden inom detta forskningsområde är förenkling och optimering av optiska system. För att uppnå ännu mer optimering, vi måste ta bort den rumsliga ljusmodulatorn från systemet och minska mängden maskfilter. En av de uppenbara vägarna för att uppnå dessa mål är att använda ett enda filter med sekventiell rörelse. Detta kommer att göra vårt linslösa beräkningsmikroskop ännu billigare, eftersom den rumsliga ljusmodulatorn är det dyraste elementet i sådana system, "säger Igor Shevkunov, medförfattare till studien och forskare vid Laboratory of Digital and Display Holography and Fellow vid Tammerfors tekniska universitet.
Förbättring av linslös beräkningsmikroskopi är ett steg mot forskning av högre kvalitet inom biologi, kemi, medicin och andra områden.
