Российские и финские ученые смогли улучшить изображение, получаемое микроскопом с помощью компьютерного алгоритма. Исследование было опубликовано в журнале Optica, который выпускается Оптическим сообществом Америки (OSA).

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.

Безлинзовые вычислительные микроскопы позволяют визуализировать прозрачные образцы или оценивать рельеф объектов в трех измерениях. Название устройств объясняется отсутствием у микроскопа линз и микрообъективов, которые формируют изображение на светочувствительной матрице. Вместо этого исследуемый объект просвечивается светом (диодным или лазерным), и дифракция света на объекте регистрируется.

Изображение картин дифракции в дальнейшем восстанавливается благодаря компьютерным расчетам и специальным алгоритмам, которые позволяют также улучшать характеристики оптического сигнала. Математические методы и алгоритмы помогают получать изображения более высокого качества без изменения комплектующих самого микроскопа.

Ученые Университета ИТМО и Технологического университета Тампере расширили поле зрения прибора путем использования алгоритма в обход физических ограничений размера матрицы. За счет использования специальных фильтров и фазовых масок, которые вводятся в микроскоп с помощью пространственно-временного модулятора света, ученые зарегистрировали несколько различающихся между собой дифракционных картин на фотокамере. После обработки картин дифракции, полученных с использованием таких масок, удалось искусственно расширить область, в которой сигнал был зарегистрирован, и, следовательно, увеличить разрешение.

«Представьте, что у вас есть лист бумаги в клеточку, на котором вы выбираете квадрат, скажем, восемь на восемь клеток. Если вы зарегистрировали сигнал в квадрате восемь на восемь пикселей, то и восстановленное изображение будет продискретизовано так же. Однако если сигнал удовлетворяет некоторым критериям разреженности, то из зарегистрированного дискретного сигнала размером восемь на восемь 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 два или четыре 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 восемь на восемь пикселей появляются дополнительные пиксели с сигналом, и поле зрения, таким образом, увеличивается», – пояснил один из авторов работы, 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.