Gli scienziati della ITMO University e della Tampere University of Technology hanno migliorato l'imaging computazionale dei segnali ottici nei microscopi senza lenti. Utilizzando algoritmi speciali, hanno aumentato la risoluzione delle immagini ottenute senza modificare le caratteristiche tecniche dei microscopi.
La microscopia computazionale senza lenti consente di visualizzare oggetti trasparenti o misurarne la forma in tre dimensioni. Tali microscopi non hanno obiettivi o obiettivi che focalizzano la luce su un sensore di immagine. Anziché, i microscopi senza lenti si basano sulla misurazione dei modelli di diffrazione che risultano dall'illuminazione di un oggetto con luce laser o LED. L'immagine ottenuta da questi pattern è generata utilizzando un approccio computazionale. Algoritmi speciali consentono di generare un'immagine ottica e migliorare il segnale ottico stesso. Produce quindi immagini con una risoluzione più elevata utilizzando solo metodi matematici senza modifiche fisiche ai microscopi.
Un team internazionale di scienziati provenienti da Russia e Finlandia si è rivolto ai metodi computazionali per espandere il campo visivo, una caratteristica cruciale di qualsiasi microscopio. Nella microscopia tradizionale, un obiettivo focalizza la luce da una piccola area dell'oggetto a un'area più grande in cui viene catturata l'immagine. Così, la dimensione dell'immagine sembra essere aumentata. È impossibile, però, per modificare le dimensioni del sensore di immagine stesso. È qui che entrano in gioco i mezzi di calcolo, consentendo ai ricercatori di superare questa limitazione fisica ed espandere il campo visivo.
A tal fine, diversi modelli di diffrazione devono essere registrati dalla fotocamera. Per eseguire il compito, gli scienziati hanno utilizzato filtri speciali chiamati maschere di fase, che di solito vengono sintetizzati su un computer e inseriti nel percorso ottico del microscopio utilizzando un modulatore di luce spaziale. Una volta elaborati i modelli di diffrazione, gli scienziati hanno aumentato artificialmente il campo visivo e di conseguenza la risoluzione dell'immagine recuperata.
"Abbiamo usato il metodo matematico della rappresentazione sparsa del segnale. Un semplice esempio può aiutare a capire come funziona. Immagina di avere una carta a griglia e di scegliere un'area quadrata di otto per otto. Se registri il segnale in questo otto per otto quadrato, quindi l'immagine recuperata verrà discretizzata allo stesso modo. Ma se il segnale soddisfa determinati requisiti di scarsità, puoi potenzialmente utilizzare lo stesso segnale otto per otto per ripristinare tutte le informazioni mancanti relative allo stesso oggetto, ma con una maglia discreta più piccola di 16x16 o anche 32x32. Allo stesso tempo, la risoluzione aumenterà di conseguenza di due o quattro volte. Inoltre, il nostro algoritmo di calcolo espande il segnale oltre l'area di registrazione. Ciò implica essenzialmente la comparsa di pixel extra attorno al nostro quadrato otto per otto, che quindi amplia il campo visivo, "dice Nikolay Petrov, uno degli autori dello studio e responsabile del Laboratorio di Olografia Digitale e Display dell'Università ITMO.
Il nuovo approccio consente agli scienziati di migliorare la risoluzione dell'immagine senza alcuna modifica nella qualità del sensore di immagine e di altri componenti del microscopio. Questo, a sua volta, suggerisce un'economia significativa e microscopi più economici in futuro.
"Quello che sembra essere il trend in questo settore di ricerca è la semplificazione e l'ottimizzazione dei sistemi ottici. Per ottenere un'ottimizzazione ancora maggiore, dobbiamo rimuovere il modulatore di luce spaziale dal sistema e ridurre la quantità di maschere-filtri. Uno dei percorsi ovvi per raggiungere questi obiettivi è utilizzare un singolo filtro con movimento sequenziale. Questo renderà il nostro microscopio computazionale senza lenti ancora più economico, poiché il modulatore di luce spaziale è l'elemento più costoso in tali sistemi, "dice Igor Shevkunov, co-autore dello studio e ricercatore presso il Laboratory of Digital and Display Holography e Fellow presso la Tampere University of Technology.
Il miglioramento della microscopia computazionale senza lenti è un passo verso una ricerca di qualità superiore in biologia, chimica, medicina e altri campi.
