При проектировании оптических систем инженерам всегда приходилось искать компромисс между кадровой частотой, углом обзора и разрешающей способностью. Улучшение одного из этих параметров традиционно ухудшало остальные, что мешало детально фиксировать поведение живых биологических образцов в динамике. Для преодоления этого пространственно-временного лимита исследователи из Калифорнийского университета в Беркли объединили на одной плате размером с кредитную карту массив […]
При проектировании оптических систем инженерам всегда приходилось искать компромисс между кадровой частотой, углом обзора и разрешающей способностью. Улучшение одного из этих параметров традиционно ухудшало остальные, что мешало детально фиксировать поведение живых биологических образцов в динамике.
Для преодоления этого пространственно-временного лимита исследователи из Калифорнийского университета в Беркли объединили на одной плате размером с кредитную карту массив из 48 отдельных камер. Созданная матрица работает как единый гигантский сенсор, многократно увеличивая плотность собираемых пикселей.
Основной технической проблемой такого инженерного решения стали пустые зазоры между датчиками, из-за которых часть светового потока и визуальных данных безвозвратно терялась. Физики решили задачу с помощью методов компрессионного зондирования.
Разработчики изготовили индивидуальную фазовую маску в виде стеклянной пластины, которая особым образом дифрагирует и перенаправляет проходящий свет. Проекция, которая в обычных условиях должна была упасть на пустые стыки плат, перенаправляется непосредственно на рабочие поверхности видеосенсоров.
Специализированный алгоритм оптимизации обрабатывает полученный компрессионный поток данных и полностью реконструирует цельное изображение без слепых зон. Вычислительный прибор обеспечивает разрешение в 3 микрона на площади 5 квадратных сантиметров с частотой 120 кадров в секунду.
Работоспособность системы протестировали на свободно перемещающихся нематодах C. elegans. Оптическая установка позволила ученым не только непрерывно отслеживать траекторию движения нескольких десятков червей одновременно, но и детально зафиксировать их внутренние процессы, включая работу глоточного насоса во время питания.
Технология также исключает необходимость долгой ручной калибровки многокамерных систем. По мнению авторов проекта, совместное проектирование аппаратного и программного обеспечения открывает путь к масштабированию систем высокоскоростной видеомикроскопии.
Обложка: траектории (цвета соответствуют времени) нескольких десятков C. elegans, свободно перемещающихся в поле зрения площадью более 5 см². Источник: Калифорнийский университет в Беркли
