Лазерный мир

Ученые Университета ИТМО и Технологического университета Тампере усовершенствовали метод вычислительной обработки оптического сигнала в безлинзовых микроскопах. С помощью специальных алгоритмов удалось повысить разрешение изображений, получаемых на таких приборах, без улучшения физических комплектующих микроскопов. Результаты научной работы были опубликованы в журналеOptica, который выпускается Оптическим сообществом Америки (OSA).

С помощью безлинзовых вычислительных микроскопов можно визуализировать прозрачные объекты или измерять рельеф объектов в трех измерениях. Такие устройства не имеют линз и микрообъективов, которые формируют изображение на светочувствительной матрице. Вместо этого исследуемый образец просвечивается светом (это может быть лазер или даже диод) и регистрируется картина дифракции света на объекте. А изображение из этих картин дифракции восстанавливается за счет компьютерных расчетов, выполняемых с использованием специальных алгоритмов. Компьютерные вычисления позволяют не только формировать оптическое изображение, но и улучшать характеристики самого оптического сигнала. Это значит, что, используя различные математические методы и алгоритмы, можно получать изображения более высокого качества без изменения комплектующих самого микроскопа.

Именно так международной группе ученых удалось расширить поле зрения прибора. Это важная характеристика микроскопического изображения. В традиционной оптической микроскопии микрообъектив и тубусная линза фокусируют световое поле из маленькой области объекта в более крупную область регистрирующей матрицы, и происходит увеличение изображения. Однако размеры матрицы поменять невозможно. Вычислительные методы позволяют обойти эти физические ограничения и увеличить поле зрения.

Это возможно за счет регистрации нескольких различающихся между собой дифракционных картин на фотокамере. Для этого ученые использовали специальные фильтры, фазовые маски, которые вводятся в микроскоп с помощью пространственно-временного модулятора света. После обработки картин дифракции, полученных с использованием таких масок, удалось искусственно расширить поле зрения (область, в которой сигнал был зарегистрирован) и, следовательно, увеличить разрешение.

«Это делается с помощью математического аппарата представления сигналов в виде разреженных множеств. На бытовом уровне это можно объяснить так. Представьте, что у вас есть лист бумаги в клеточку, на котором вы выбираете квадрат, скажем, 8 на 8 клеток. Если вы зарегистрировали сигнал в квадрате 8 на 8 пикселей, то и восстановленное изображение будет продискретизовано так же. Однако если сигнал удовлетворяет некоторым критериям разреженности, то из зарегистрированного дискретного сигнала размером 8 на 8 пикселей можно восстановить всю недостающую информацию об объекте с меньшей дискретной сеткой: 16 на 16, или даже 32 на 32. При этом разрешение увеличивается в 2 или 4 раза, соответственно. Кроме того, наш вычислительный алгоритм в процессе расчета экстраполирует сигнал за пределы области регистрации, то есть, в рассматриваемом нами примере, вокруг квадрата с сигналом размером 8 на 8 пикселей появляются дополнительные пиксели с сигналом, и поле зрения, таким образом, увеличивается», – прокомментировал один из авторов статьи, руководитель лаборатории цифровой и изобразительной голографии Университета ИТМО Николай Петров.

Увеличение разрешения изображения с помощью вычислительных методов, по словам ученых, поможет экономить средства, которые иначе ушли бы на совершенствование самого физического устройства.

«В перспективе развития данного направления для упрощения оптической системы необходимо исключить из схемы пространственный модулятор света и сократить количество масок-фильтров. Один из очевидных вариантов развития – это использование только одной маски, но с пошаговым перемещением. Это значительно удешевит разработанный нами вычислительный безлинзовый микроскоп, так как пространственный модулятор света – самый дорогостоящий элемент в таких системах», – добавил другой автор статьи в журнале Optica Игорь Шевкунов, сотрудник лаборатории цифровой и изобразительной голографии Университета ИТМО и участник программы Fellowship в Технологическом университете Тампере.

Улучшение техники безлинзовой вычислительной микроскопии позволит сделать еще один шаг в повышении качества лабораторных и других исследований в области биологии, химии и других наук, а также в медицине.

Источник: https://scientificrussia.ru/articles/uchenye-universiteta-itmo-usovershenstvovali-tehniku-bezlinzovoj-vychislitelnoj-mikroskopii