Разрешение обычного оптического микроскопа можно многократно увеличить за счет использования недорогого массива светодиодов и алгоритмов обработки изображений.

Изображения, полученные с помощью объектива с двукратным увеличением (a — одно из необработанных изображений, b — реконструкция интенсивности с помощью метода птихографической микроскопии Фурье, с — реконструкция цвета) и с помощью объектива с 20-кратным увеличением (d).

Инженеры из Калифорнийского технологического института (США) разработали недорогой метод трансформации оптического микроскопа в систему с гораздо более высоким разрешением без снижения угла обзора. Подобные приборы были бы отнюдь не лишними в медицинских лабораториях, которые не могут себе позволить более дорогое оборудование, и в образовательных учреждениях.

Физические свойства линз значительно ограничивают качество изображения, получаемого с помощью оптического микроскопа. Чтобы смягчить аберрации, производители оптических микроскопов выстраивают все более сложные системы линз, что приводит к увеличению стоимости системы. При этом приходится делать выбор: либо высокое разрешение и небольшое поле зрения прибора, либо широкий угол обзора и низкая детализация изображения.

Обойти оптические ограничения, создав систему с высоким разрешением и широким углом обзора одновременно, позволил вычислительный подход: улучшение изображения и смягчение аберраций производятся компьютером, обрабатывающим визуальные данные.

В качестве демонстрации разработанной технологии исследователи увеличили разрешающую способность микроскопа с двукратным увеличением в 10 раз. Стоимость системы, предоставляющей в 100 раз больше информации, составила всего $200. К существующему микроскопу пришлось добавить только массив светодиодов — всю остальную работу взял на себя компьютер.

Система последовательно получает около 150 изображений образца, каждое из которых подсвечено своим светодиодом из светодиодной матрицы. Таким образом, составляется картина светового поля образца, описывающая не только интенсивность излучения в каждой точке, но и его фазу, которая связана с углом падения света. Используя эту дополнительную информацию, можно преобразовать полторы сотни изображений с низким разрешением в одно более детальное, при этом скорректировав оптические аберрации. Метод, получивший название «птихографической микроскопии Фурье», позволил получить гигапиксельное изображение образца площадью 120 мм² (с пространственным разрешением 0,78 мкм).

По пресс-релизу Caltech