Designerobjektiv hjælper med at se det store billede

Mikroskoper har været i centrum for mange af de vigtigste fremskridt inden for biologi i mange århundreder. Nu, KAUST-forskere har vist, hvordan et standardmikroskop kan tilpasses til at give endnu mere information.

I sin enkleste form, mikroskopi skaber et billede af et objekt ved at måle intensiteten af ​​lys, der passerer gennem det. Dette kræver en prøve, der spreder og absorberer lys på forskellige måder. Mange levende celler, imidlertid, absorberer meget lidt synligt lys, hvilket betyder, at der kun er en lille forskel mellem lyse og mørke områder, kendt som kontrasten. Det gør det svært at se de finere detaljer.

Men lyset, der passerer gennem prøven, ændrer ikke kun dets intensitet, men også dens fase:den relative timing af toppene i den optiske bølge. "Fasekontrastmikroskopi konverterer fase til større amplitudevariationer og tillader derfor visning af fine, detaljerede gennemsigtige strukturer, " forklarer KAUST Ph.D.-studerende Congli Wang.

Det er vanskeligere at måle lysets fase end at måle dets intensitet. De fleste fasekontrastmikroskoper skal indeholde en komponent, der konverterer faseændringen til en målbar intensitetsændring. Men denne konvertering er ikke præcis; den tilnærmer kun faseinformationen.

Wang og hans kolleger fra KAUSTVisual Computing Center, under opsyn af Wolfgang Heidrich, professor i datalogi, har nu udviklet en ny metode til kvantitativ fase- og intensitetsbilleddannelse. Afgørende for ydeevnen af ​​deres mikroskop var et element kendt som en bølgefrontsensor. Bølgefrontsensorer er specialdesignede optiske sensorer, der kan kode bølgefronten, eller fase, information til intensitetsbilleder.

Teamet designede en innovativ højopløsnings bølgefrontsensor, og teammedlemmerne inkorporerer det nu i et kommercielt mikroskop for at forbedre ydeevnen for mikroskopi -billeddannelse. De rekonstruerede derefter fasekontrastbilledet ved hjælp af en computeralgoritme, de udviklede til numerisk hentet kvantitativ fase fra et billedpar:et kalibreringsbillede opnået uden prøven og et målebillede opnået med prøven på plads.

Denne tilgang strømliner flere aspekter af mikroskopi. Mens andre metoder har opnået kvantitativ fasebilleddannelse i fortiden, de har krævet dyre eller komplicerede opsætninger, specialiserede lyskilder eller lang tid til at generere billedet. "Vores metode tillader snapshot-optagelse af højopløsnings-amplitude-lysfelt og nøjagtige kvantitative fasebilleder via overkommelig simpel optik, almindelig hvidlyskilde og hurtige beregninger ved videohastigheder i realtid, " siger Heidrich. "Det er første gang, til vores viden, at alle disse fordele er kombineret i én teknik."