Ученые представили разработку в области микроскопии, направленную на преодоление технических ограничений, связанных с выбором между скоростью съемки, разрешением и размером поля зрения.
В статье, опубликованной в журнале Nature Photonics, описывается вычислительный микроскоп, который позволяет одновременно получать изображения с высоким разрешением на относительно большой площади и с высокой частотой кадров. Устройство использует массив из 48 сенсоров, размещенных на одной плате, что позволяет достигать скорости обработки данных, эквивалентной 25,2 миллиарда пикселей в секунду. В ходе экспериментов было зафиксировано разрешение в 3 микрона на площади 5 квадратных сантиметров при частоте 120 кадров в секунду.
Одной из главных технических сложностей при создании такой системы стала неравномерность сенсорной матрицы: между отдельными датчиками имеются промежутки, которые не воспринимают свет, что создает пробелы в данных. Для компенсации этого эффекта разработчики применили метод сжатого зондирования. В оптическую схему был добавлен специальный дифракционный элемент — фазовая маска, которая перенаправляет свет, попадающий в «слепые» зоны, на активные сенсоры. Последующее восстановление целостного изображения выполнялось с помощью вычислительного алгоритма.
Практическая апробация системы проводилась на статических и динамических объектах. В случае с движущимися образцами ученые наблюдали за несколькими десятками нематод C. elegans. Полученные видеоданные позволили не только отслеживать траектории движения отдельных особей, но и фиксировать внутренние процессы, в частности, фазы глотательных движений, что ранее было затруднительно при совмещении высокого разрешения и широкого обзора.
Отмечается, что предложенный подход также снижает потребность в ручной настройке оборудования, которая обычно требуется для работы с многоканальными системами подобного масштаба. Авторы работы рассматривают данную разработку как пример совместной эволюции аппаратного обеспечения и программных алгоритмов обработки, что может быть полезно для дальнейшего масштабирования систем видеомикроскопии при работе с большими объемами данных.
Читайте также: Ученые впервые замедлили и охладили высокозаряженные ионы в ловушке Пеннинга.