La microscopia è uno strumento essenziale in molteplici campi di ricerca e industrie, come la biologia, medicinale, scienza dei materiali, e controllo qualità, per dirne alcuni. Sebbene esistano molte tecniche di microscopia, ognuno ha pro e contro, soprattutto in termini di risoluzione spaziale, velocità (immagini al secondo), e applicabilità. Per esempio, la microscopia elettronica a scansione può catturare immagini con risoluzione nanometrica, ma offre una velocità inferiore ed è poco pratico per alcuni campioni. Altre tecniche di microscopia a base di luce più semplici, come la microscopia a fluorescenza, non sono adatte per visualizzare cellule viventi o altre piccole strutture perché queste sono generalmente trasparenti e sottili, che si traduce in un basso assorbimento della luce.

Gli scienziati hanno sviluppato una tecnica chiamata microscopia ad apertura sintetica (SAM), che si avvale di una proprietà intrinseca della luce, chiamato fase. Questa proprietà si riferisce al ritardo relativo tra due onde elettromagnetiche. Quando le onde luminose attraversano un campione bersaglio, le loro fasi relative cambiano in modo diverso a seconda delle proprietà ottiche in ogni punto del campione e dell'angolo di incidenza della luce. In SAM, è possibile acquisire più immagini di fase in rapida successione con diversi angoli di incidenza. Queste immagini vengono quindi elaborate e combinate per formare un'immagine più nitida.

Sebbene SAM sia senza dubbio un approccio promettente, le attuali implementazioni mancano sia di risoluzione spaziale che di frame rate per essere utili per le applicazioni emergenti. Per affrontare questi problemi, un team di ricercatori guidato da Renjie Zhou dell'Università cinese di Hong Kong ha recentemente sviluppato un nuovo metodo SAM. Nel loro studio, pubblicato in Fotonica avanzata , il team presenta una configurazione innovativa per l'imaging SAM basata su dispositivi digitali a microspecchi (DMD).

I DMD sono componenti elettronici ampiamente utilizzati nei proiettori digitali commerciali. Hanno una matrice di microspecchi il cui orientamento può essere controllato individualmente ed elettronicamente ad alte velocità. Utilizzando due DMD e obiettivi appropriati, i ricercatori hanno ideato uno schema in cui l'angolo di un raggio laser che raggiunge il campione può essere modificato migliaia di volte al secondo. Una volta che la luce ha attraversato il campione, è combinato con una porzione del laser originale per produrre un modello di luce noto come interferogramma, che porta le informazioni di fase. Per creare l'immagine della fase finale, interferogrammi multipli per diversi angoli di incidenza vengono combinati utilizzando algoritmi appositamente progettati.

I ricercatori hanno testato il loro nuovo metodo utilizzando vari tipi di campioni, quali reticoli nanometrici, globuli rossi, e cellule cancerose. I risultati sono stati molto promettenti su tutta la linea, come osserva Zhou, "Utilizzando il nostro approccio basato su DMD, potremmo visualizzare con precisione strutture materiali con caratteristiche fino a 132 nm, quantificare le fluttuazioni di millisecondi nelle membrane dei globuli rossi, e osservare i cambiamenti dinamici nella struttura cellulare in risposta all'esposizione a sostanze chimiche." Questa tecnica è anche priva di etichette, il che significa che si possono osservare le cellule viventi senza danneggiarle con sostanze chimiche fluorescenti.

Un altro notevole vantaggio di questo nuovo metodo è l'annullamento della macchiolina laser, un tipo di interferenza indesiderata che si verifica quando si illumina un campione con un laser. L'uso di più interferogrammi per calcolare un'immagine elimina i contributi casuali di macchioline in ciascun interferogramma, rendendo l'immagine composita finale più nitida. Inoltre, si può aumentare la frequenza dei fotogrammi di imaging secondo necessità utilizzando un numero inferiore di interferogrammi, fintanto che viene raggiunta la qualità dell'immagine desiderata.

Zhou crede che il loro metodo SAM potrebbe essere un punto di svolta in vari campi in cui la microscopia è essenziale, "Prevediamo che la nostra tecnica di imaging ad alta velocità troverà applicazioni nella biologia e nella ricerca sui materiali, come studiare i movimenti e le interazioni delle cellule vive e monitorare i processi di produzione dei materiali in tempo reale per scopi di controllo della qualità." Nota inoltre che c'è spazio per miglioramenti in termini di velocità utilizzando telecamere ancora più veloci, e che i principi alla base del loro approccio potrebbero essere adattati con diversi algoritmi per costruire un sistema di imaging 3D.