Mikroskopi är ett viktigt verktyg inom flera forskningsfält och industrier, som biologi, medicin, materialvetenskap, och kvalitetskontroll, för att nämna några. Även om det finns många mikroskopitekniker, var och en har för- och nackdelar, mestadels när det gäller rumslig upplösning, hastighet (bilder per sekund), och tillämpbarhet. Till exempel, svepelektronmikroskopi kan ta bilder med nanometrisk upplösning, men det ger lägre hastighet och är opraktiskt för vissa prover. Andra enklare ljusbaserade mikroskopitekniker, såsom fluorescensmikroskopi, är inte lämpliga för att visualisera levande celler eller andra små strukturer eftersom dessa vanligtvis är genomskinliga och tunna, vilket resulterar i låg ljusabsorption.

Forskare har utvecklat en teknik som kallas syntetisk aperturmikroskopi (SAM), som använder sig av en inneboende egenskap hos ljus, kallas fas. Denna egenskap avser den relativa fördröjningen mellan två elektromagnetiska vågor. När ljusvågor passerar genom ett målprov, deras relativa faser förändras olika beroende på de optiska egenskaperna vid varje punkt i provet och ljusets infallsvinkel. I SAM, flerfasbilder kan tas i snabb följd med olika infallsvinklar. Dessa bilder bearbetas sedan och kombineras för att skapa en skarpare bild.

Även om SAM utan tvekan är ett lovande tillvägagångssätt, nuvarande implementeringar saknar både rumslig upplösning och bildhastighet för att vara användbara för nya applikationer. För att ta itu med dessa problem, ett team av forskare ledda av Renjie Zhou från The Chinese University of Hong Kong utvecklade nyligen en ny SAM-metod. I deras studie, publicerad i Avancerad fotonik , teamet presenterar en innovativ uppsättning för SAM-avbildning baserad på digitala mikrospegelenheter (DMD).

DMD:er är elektroniska komponenter som ofta används i kommersiella digitala projektorer. De har en matris av mikrospeglar vars orientering kan styras individuellt och elektroniskt i höga hastigheter. Använda två DMD:er och lämpliga linser, forskarna utarbetade ett schema där vinkeln på en laserstråle som når provet kan ändras tusentals gånger per sekund. När ljuset har gått igenom provet, den kombineras med en del av den ursprungliga lasern för att producera ett ljusmönster som kallas ett interferogram, som bär fasinformationen. För att skapa slutfasbilden, flera interferogram för olika infallsvinklar kombineras med specialdesignade algoritmer.

Forskarna testade sin nya metod med olika typer av prover, såsom nanometriska galler, röda blodceller, och cancerceller. Resultaten var mycket lovande över hela linjen, som Zhou anmärker, "Med vårt DMD-baserade tillvägagångssätt, vi kunde exakt avbilda materialstrukturer med egenskaper så små som 132 nm, kvantifiera millisekundsfluktuationer i membranen av röda blodkroppar, och observera dynamiska förändringar i cellstrukturen som svar på exponering för kemikalier." Denna teknik är också etikettfri, vilket innebär att man kan observera levande celler utan att skada dem med fluorescerande kemikalier.

En annan anmärkningsvärd fördel med denna nya metod är upphävandet av laserfläckar, en typ av oönskad störning som uppstår när ett prov belyses med laser. Användningen av flera interferogram för att beräkna en bild stryker ut de slumpmässiga bidragen från fläckar i varje interferogram, gör den slutliga sammansatta bilden skarpare. Dessutom, man kan öka bildfrekvensen efter behov genom att använda ett lägre antal interferogram, så länge som önskad bildkvalitet uppnås.

Zhou tror att deras SAM-metod kan vara en game changer inom olika områden där mikroskopi är viktigt, "Vi föreställer oss att vår höghastighetsbildteknik kommer att hitta tillämpningar inom biologi och materialforskning, som att studera rörelser och interaktioner mellan levande celler och övervaka materialtillverkningsprocesser i realtid för kvalitetskontrolländamål." Han noterar också att det finns utrymme för förbättringar när det gäller hastighet genom att använda ännu snabbare kameror, och att de underliggande principerna för deras tillvägagångssätt skulle kunna anpassas med olika algoritmer för att bygga ett 3D-bildsystem.