Des scientifiques de l'Université ITMO et de l'Université de technologie de Tampere ont amélioré l'imagerie informatique des signaux optiques dans des microscopes sans lentille. En utilisant des algorithmes spéciaux, ils ont augmenté la résolution des images obtenues sans aucun changement dans les caractéristiques techniques des microscopes.
La microscopie numérique sans lentille permet de visualiser des objets transparents ou de mesurer leur forme en trois dimensions. De tels microscopes n'ont pas de lentilles ou d'objectifs qui focalisent la lumière sur un capteur d'image. Au lieu, les microscopes sans lentille reposent sur la mesure des diagrammes de diffraction résultant de l'éclairage d'un objet avec une lumière laser ou LED. L'image obtenue à partir de ces modèles est générée en utilisant une approche informatique. Des algorithmes spéciaux permettent de générer une image optique et d'améliorer le signal optique lui-même. Il produit ainsi des images avec une résolution plus élevée en utilisant uniquement des méthodes mathématiques sans aucune modification physique des microscopes.
Une équipe internationale de scientifiques de Russie et de Finlande s'est tournée vers les méthodes de calcul afin d'élargir le champ de vision, une caractéristique cruciale de tout microscope. En microscopie traditionnelle, un objectif focalise la lumière d'une petite zone d'objet vers une zone plus grande où l'image est capturée. Ainsi, la taille de l'image semble augmenter. C'est impossible, cependant, pour modifier la taille du capteur d'image lui-même. C'est là que les moyens de calcul entrent en jeu, permettant aux chercheurs de surmonter cette limitation physique et d'élargir le champ de vision.
À cette fin, plusieurs diagrammes de diffraction différents doivent être enregistrés par la caméra. Pour effectuer la tâche, les scientifiques ont utilisé des filtres spéciaux appelés masques de phase, qui sont généralement synthétisés sur un ordinateur et introduits dans le chemin optique du microscope à l'aide d'un modulateur spatial de lumière. Une fois les diagrammes de diffraction traités, les scientifiques ont artificiellement augmenté le champ de vision et par conséquent la résolution de l'image récupérée.
"Nous avons utilisé la méthode mathématique de la représentation éparse du signal. Un exemple simple peut aider à comprendre comment cela fonctionne. Imaginez que vous avez un papier quadrillé et que vous choisissez une zone carrée de huit par huit. Si vous enregistrez le signal dans ce huit par huit carré, alors l'image récupérée sera discrétisée de la même manière. Mais si le signal répond à certaines exigences de parcimonie, vous pouvez potentiellement utiliser le même signal huit par huit pour restaurer toutes les informations manquantes concernant le même objet, mais avec un maillage discret plus petit de 16x16 ou même 32x32. À la fois, la résolution augmentera du double ou du quadruple en conséquence. De plus, notre algorithme de calcul étend le signal au-delà de la zone d'enregistrement. Cela implique essentiellement l'apparition de pixels supplémentaires autour de notre carré de huit sur huit, ce qui élargit donc le champ de vision, " dit Nikolay Petrov, l'un des auteurs de l'étude et directeur du Laboratoire d'holographie numérique et d'affichage à l'Université ITMO.
La nouvelle approche permet aux scientifiques d'améliorer la résolution de l'image sans aucune modification de la qualité du capteur d'image et des autres composants du microscope. Cette, à son tour, suggère une économie importante et des microscopes moins chers à l'avenir.
"Ce qui semble être la tendance dans ce domaine de recherche, c'est la simplification et l'optimisation des systèmes optiques. Pour atteindre encore plus d'optimisation, nous devons retirer le modulateur spatial de lumière du système et réduire la quantité de masques-filtres. L'une des voies évidentes pour atteindre ces objectifs est d'utiliser un seul filtre avec un mouvement séquentiel. Cela rendra notre microscope informatique sans lentille encore moins cher, comme le modulateur spatial de lumière est l'élément le plus coûteux dans de tels systèmes, " dit Igor Shevkunov, co-auteur de l'étude et chercheur au Laboratoire d'holographie numérique et d'affichage et membre de l'Université de technologie de Tampere.
L'amélioration de la microscopie informatique sans lentille est une étape vers une recherche de meilleure qualité en biologie, chimie, médecine et d'autres domaines.
