Інженери розробили простий і недорогий спосіб перетворити звичайний мікроскоп в інструмент з мільярдом пікселів роздільної здатності
Інженери з Каліфорнійського технологічного інституту (California Institute of Technology, Caltech) розробили новий, відносно простий метод, який перетворює звичайний оптичний мікроскоп у високоякісну систему мікрозйомки, має роздільну здатність мінімум мільярд пікселів. Використовуючи цей метод, реалізація якого обходиться в суму близько 200 доларів, дослідники зуміли покращити роздільну здатність звичайної лінзи об'єктива мікроскопа до рівня лінзи, діаметр якої більше її діаметра в 20 разів.
Фізичні обмеження оптичних мікроскопів відбуваються не тільки з-за обмежень, пов'язаних з довжиною хвилі світла видимого діапазону, з явищами оптичної дифракції та інтерференції. Досить велику роль у цьому відіграє якість виготовлення лінз об'єктивів мікроскопів, які, як би не намагалися їх виробники, завжди мають відхилення від ідеальної форми, що призводить до появи оптичних спотворень.
"Для вирішення проблеми, пов'язаної з роздільною здатністю оптичних мікроскопів, ми використовували спеціальне технічне рішення і обчислювальні алгоритми, які б дозволили нам подолати обмеження оптики об'єктивів мікроскопів. Завдяки нашому новому методу стає зовсім не важливим якість виготовлення лінз і складність оптичної системи, оскільки ми можемо збільшити роздільну здатність і виправити викривлення виключно математичними методами" - пишуть вчені.
"Ще однією перевагою нашого методу є те, що його можна використовувати з будь-яким наявним, навіть самим простим і низькоякісним, мікроскопом. Для цього достатньо лише розмістити під його робочою площиною спеціальну світлодіодну матрицю. Все інше зроблять фотосенсор цифрової камери і комп'ютер".
Як можна зрозуміти з вищесказаного, ключовим моментом нового методу є матриця з світлодіодів, яка встановлюється під мікроскопом. Кожен з світлодіодів включається по черзі, висвітлюючи досліджуваний об'єкт під різним кутом, а система в цей час робить один знімок з досить низьким дозволом.
Кінцеве зображення, яке містить в сотні разів більше інформації, ніж зображення низького дозволу, формується з 150 знімків, зроблених під різними кутами освітлення, за допомогою нового обчислювального методу, званого алгоритмом FPM (Fourier ptychographic microscopy). Цей алгоритм дозволяє "зшити" воєдино безліч низькоякісних зображень в одне високоякісне зображення, повністю компенсуючи при цьому спотворення оптичної системи.
"Ми сподіваємося, що наш винахід принесе науці величезну користь, особливо в наукових організаціях країн, які не можуть собі дозволити придбання високоякісного обладнання. Оптичний мікроскоп і не дуже потужний комп'ютер напевно знайдуться у будь-якій лабораторії, а матрицю з світлодіодів досить просто виготовити навіть у кустарних умовах".