Cientistas da ITMO University e da Tampere University of Technology aprimoraram a geração de imagens computacionais de sinais ópticos em microscópios sem lente. Ao empregar algoritmos especiais, aumentaram a resolução das imagens obtidas sem qualquer alteração nas características técnicas dos microscópios.
A microscopia computacional sem lente permite visualizar objetos transparentes ou medir sua forma em três dimensões. Esses microscópios não têm lentes ou objetivas que focalizem a luz em um sensor de imagem. Em vez de, microscópios sem lente dependem da medição de padrões de difração que resultam da iluminação de um objeto com laser ou luz LED. A imagem obtida a partir desses padrões é gerada por meio de uma abordagem computacional. Algoritmos especiais permitem gerar uma imagem ótica e melhorar o próprio sinal ótico. Assim, ele produz imagens com resolução mais alta usando apenas métodos matemáticos, sem quaisquer alterações físicas nos microscópios.
Uma equipe internacional de cientistas da Rússia e da Finlândia recorreu a métodos computacionais para expandir o campo de visão, uma característica crucial de qualquer microscópio. Na microscopia tradicional, uma objetiva focaliza a luz de uma área de objeto pequeno para uma área maior onde a imagem é capturada. Assim, o tamanho da imagem parece ter aumentado. É impossível, Contudo, para alterar o tamanho do próprio sensor de imagem. É aqui que os meios computacionais entram em jogo, permitindo que os pesquisadores superem essa limitação física e ampliem o campo de visão.
Para este fim, vários padrões de difração diferentes devem ser registrados pela câmera. Para realizar a tarefa, cientistas usaram filtros especiais chamados de máscaras de fase, que geralmente são sintetizados em um computador e alimentados no caminho óptico do microscópio usando um modulador de luz espacial. Uma vez que os padrões de difração foram processados, os cientistas aumentaram artificialmente o campo de visão e conseqüentemente a resolução da imagem recuperada.
"Usamos o método matemático de representação esparsa do sinal. Um exemplo simples pode ajudar a entender como funciona. Imagine que você tem uma grade de papel e escolhe uma área quadrada de oito por oito. Se você registrar o sinal neste oito por oito quadrado, então a imagem recuperada será discretizada da mesma maneira. Mas se o sinal atender a certos requisitos de dispersão, você pode usar potencialmente o mesmo sinal de oito por oito para restaurar todas as informações ausentes sobre o mesmo objeto, mas com uma malha discreta menor de 16x16 ou mesmo 32x32. Ao mesmo tempo, a resolução aumentará duas ou quatro vezes correspondentemente. Além disso, nosso algoritmo computacional expande o sinal além da área de registro. Isso implica essencialmente no aparecimento de pixels extras em torno de nosso quadrado de oito por oito, que, portanto, expande o campo de visão, "diz Nikolay Petrov, um dos autores do estudo e chefe do Laboratório de Holografia Digital e Display da ITMO University.
A nova abordagem permite que os cientistas melhorem a resolução da imagem sem nenhuma modificação na qualidade do sensor de imagem e outros componentes do microscópio. Esse, por sua vez, sugere economia significativa e microscópios mais baratos no futuro.
“O que parece ser a tendência nesta área de pesquisa é a simplificação e otimização de sistemas ópticos. Para alcançar ainda mais otimização, precisamos remover o modulador de luz espacial do sistema e reduzir a quantidade de filtros de máscaras. Um dos caminhos óbvios para atingir esses objetivos é usar um único filtro com movimento sequencial. Isso tornará nosso microscópio computacional sem lentes ainda mais barato, como o modulador de luz espacial é o elemento mais caro em tais sistemas, "diz Igor Shevkunov, coautor do estudo e pesquisador do Laboratório de Holografia Digital e Display e bolsista da Tampere University of Technology.
O aprimoramento da microscopia computacional sem lentes é um passo em direção à pesquisa de maior qualidade em biologia, química, medicina e outros campos.
