Forskere opnår større forbedringer for linseløs beregningsmikroskopi

Forskere fra ITMO University og Tampere University of Technology har forbedret beregning af optiske signaler i linseløse mikroskoper. Ved at anvende særlige algoritmer, de øgede opløsningen af ​​opnåede billeder uden ændringer i de mikroskopiske tekniske egenskaber.

Lensløs beregningsmikroskopi gør det muligt at visualisere transparente objekter eller måle deres form i tre dimensioner. Sådanne mikroskoper har ingen linser eller mål, der fokuserer lys på en billedsensor. I stedet, linseløse mikroskoper er afhængige af måling af diffraktionsmønstre, der skyldes oplysning af et objekt med laser- eller LED -lys. Billedet opnået fra disse mønstre genereres ved hjælp af en beregningsmetode. Særlige algoritmer gør det muligt at generere et optisk billede og forbedre selve det optiske signal. Det producerer således billeder med højere opløsning ved kun at bruge matematiske metoder uden fysiske ændringer i mikroskoper.

Et internationalt team af forskere fra Rusland og Finland henvendte sig til beregningsmetoder for at udvide synsfeltet, et afgørende træk ved ethvert mikroskop. I traditionel mikroskopi, et objekt fokuserer lys fra et lille objektområde til et større område, hvor billedet fanges. Dermed, billedstørrelsen ser ud til at være forøget. Det er umuligt, imidlertid, for at ændre størrelsen på selve billedsensoren. Det er her beregningsmæssige midler spiller ind, tillader forskere at overvinde denne fysiske begrænsning og udvide synsfeltet.

Til denne ende, flere forskellige diffraktionsmønstre skal registreres med kamera. For at udføre opgaven, forskere brugte specielle filtre kaldet fasemasker, som normalt syntetiseres på en computer og føres ind i mikroskopets optiske vej ved hjælp af en rumlig lysmodulator. Når diffraktionsmønstrene var behandlet, forskerne øgede kunstigt synsfeltet og dermed opløsningen af ​​det hentede billede.

"Vi brugte den matematiske metode til sparsom fremstilling af signal. Et enkelt eksempel kan hjælpe med at forstå, hvordan det fungerer. Forestil dig, at du har et gitterpapir, og du vælger et firkantet område på otte ved otte. Hvis du registrerer signalet i dette otte for otte firkant, så vil det hentede billede blive diskretiseret på samme måde. Men hvis signalet opfylder visse krav om sparsomhed, du kan potentielt bruge det samme otte for otte signal til at gendanne alle de manglende oplysninger om det samme objekt, men med et mindre diskret net på 16x16 eller endda 32x32. På samme tid, opløsningen vil stige to eller fire gange tilsvarende. I øvrigt, vores beregningsalgoritme udvider signalet ud over registreringsområdet. Dette indebærer i det væsentlige udseendet af ekstra pixels omkring vores otte x otte kvadrat, som derfor udvider synsfeltet, "siger Nikolay Petrov, en af ​​forfatterne til undersøgelsen og leder af Laboratory of Digital and Display Holography ved ITMO University.

Den nye tilgang gør det muligt for forskere at forbedre billedopløsningen uden ændringer i billedsensorens kvalitet og andre mikroskopkomponenter. Det her, på tur, tyder på betydelig økonomi og billigere mikroskoper i fremtiden.

"Det, der synes at være tendensen inden for dette forskningsområde, er forenkling og optimering af optiske systemer. For at opnå endnu mere optimering, vi skal fjerne den rumlige lysmodulator fra systemet og reducere mængden af ​​maske-filtre. En af de oplagte veje til at nå disse mål er at bruge et enkelt filter med sekventiel bevægelse. Dette vil gøre vores linseløse beregningsmikroskop endnu billigere, da den rumlige lysmodulator er det dyreste element i sådanne systemer, "siger Igor Shevkunov, medforfatter af undersøgelsen og forsker ved Laboratory of Digital and Display Holography og stipendiat ved Tampere University of Technology.

Forbedring af linseløs beregningsmikroskopi er et skridt i retning af forskning af højere kvalitet inden for biologi, kemi, medicin og andre områder.