Розсіяння світла - одна з найстаріших перешкод у мікроскопії. У прозорому зразку світло поширюється траєкторіями, які дозволяють відновити структуру об'єкта. Однак у товстих, неоднорідних тканинах фотони багаторазово змінюють напрямок руху, через що інформація спотворюється. Сигнал, що формує зображення, слабшає, дрібні деталі зникають, і навіть при використанні складних методів реконструкції результат найчастіше зводиться лише до нечіткого туману.
Традиційні мікроскопи дозволяють відновити інформацію про глибину об'єкта за допомогою спеціальної оптики, сканування, введення міток або просвітлення тканин, але кожне з цих рішень потребує додаткових витрат часу, звужує поле зору або ускладнює конструкцію приладу.
Безоб'єктивна цифрова голографічна мікроскопія пропонує інший підхід. Зразок розміщується в безпосередній близькості від світлочутливої матриці (сенсора) без використання об'єктива. Компактне джерело висвітлює зразок, а сенсор реєструє інтерференційну картину, а не звичайне зображення.
Потім за допомогою чисельних методів виконується реконструкція амплітуди (ступеня ослаблення світла зразком) та фази (величини затримки світлової хвилі).
Оскільки відсутність об'єктива не обмежує область огляду, все поле зору визначається розміром сенсора - у цьому дослідженні воно склало близько 116 мм; при цьому не потрібне ні растрове сканування, ні "зшивання" окремих фрагментів зображення.
Однак за цією простотою ховається фундаментальний недолік. В основі голографії Габора (співвісної голографії) лежить припущення, що потужна нерозсіяна опорна хвиля інтерферує зі слабшою об'єктною хвилею. Це добре працює для окремих клітин або дуже тонких прозорих зразків.
Але як тільки багаторазове розсіювання стає інтенсивним, опорна хвиля слабшає, голографічні інтерференційні смуги губляться на тлі дифузного випромінювання і надійна реконструкція стає неможливою. Тому цей метод досі застосовувався переважно у випадках, коли розсіювання світла було незначним.
Дослідницька група з Варшавського політехнічного університету під керівництвом професора Мацея Трусяка запитала: чи справді ця межа така непереборна, як здається?
Близьке інфрачервоне світло розсіюється багатьма структурами тканин слабше, ніж видиме, що дозволяє зберегти більше корисної інформації при проходженні світла через каламутне середовище. У звичайному мікроскопі для використання цієї переваги були б потрібні спеціальні інфрачервоні детектори, лінзи та оптичні покриття. У безоб'єктивній системі змінювати нічого — навіть слабкої чутливості звичайного кремнієвого сенсора в діапазоні близько 1100 нм може бути достатньо для проведення голографічної реконструкції.
Ідея була роззброюючи простою: змінити довжину хвилі, зберігши при цьому структуру, і перевірити, чи можна зробити втрачену візуальну інформацію знову видимою за допомогою невидимих хвиль ближнього інфрачервоного діапазону.
Наукова група під керівництвом професора Трусяка з Лабораторії кількісної обчислювальної візуалізації (QCI Lab) при Інституті мікромеханіки та фотоніки Варшавського політехнічного університету (Польща) перевірила цю концепцію, використовуючи шість різних довжин хвиль освітлення — від 480 до 1100 нм — без зміни основної платформи візуалізації.
Як середовище, що імітує біологічні тканини, застосовувалися шари молока, що забезпечували контрольований та відтворюваний рівень розсіювання, а для оцінки можливості відновлення найдрібніших деталей використовували калібровані тестові об'єкти. Результати дослідження були опубліковані онлайн у журналі Opto-Electronic Advances 20 вересня 2026 року.
Експеримент продемонстрував суттєву зміну характеристик системи залежно від спектрального діапазону. У видимому діапазоні при товщині шару, що розсіює, від 180 до 360 мкм (залежно від довжини хвилі) зображення ставало повністю невиразним. Навпаки, при довжині хвилі 1100 нм вдавалося відновити деталі навіть крізь шар "тканиноподібного" середовища завтовшки близько 1,4 мм — це майже вчетверо більше, ніж при використанні випромінювання із довжиною хвилі 632 нм.
Примітно, що стандартний CMOS-сенсор, призначений для видимого діапазону, дозволив одержати якісні результати, попри те, що його квантова ефективність на довжині хвилі 1100 нм складала лише 0,19%. Цей експеримент доводить, що залишкова чутливість, якої зазвичай нехтують, може бути корисною при використанні голографічних методів, що працюють в умовах вкрай низької кількості фотонів.
"Це дослідження також спростувало один з усталених у цій галузі підходів. У безлінзових системах зразок зазвичай намагаються розташувати якомога ближче до сенсора для досягнення максимального дозволу. Однак за умов сильного розсіювання наша група виявила, що збільшення відстані між ними — з 3 до 12 мм — дозволило покращити латеральний дозвіл приблизно з 11 до 5,5 мкм", — зазначає професор Трусяк.
Пояснення полягає в тому, що корисне світло, яке несе інтерференційну інформацію, залишається більш концентрованим у порівнянні з сильно розсіяним фоновим випромінюванням; зі збільшенням шляху поширення фоновий шум "розмивається" швидше, що полегшує виявлення інтерференційних смуг. Хоча цей ефект потребує глибшого вивчення механізмів його виникнення, він дозволяє по-новому поглянути на відстань між зразком і сенсором: тепер його слід розглядати не як величину, яку потрібно просто мінімізувати, а як параметр оптимізації.
Що особливо важливо, результати цих контрольованих експериментів вдалося застосувати у біологічних дослідженнях. При довжині хвилі 1100 нм система дозволила отримати надширокопольні, що не вимагають маркування, амплітудні та фазові зображення неочищених зрізів печінки миші товщиною до 60 мкм і зрізів мозку товщиною до 250 мкм, виявивши внутрішню організацію, яка значною мірою приховувалась.
Замість того щоб заявляти про неінвазивну візуалізацію глибоко всередині живого органу, це досягнення встановлює новий режим роботи для компактної голографії in vitro: швидке, широкомасштабне відновлення внутрішньої структури тканини в товстих зрізах, що сильно розсіюють.
"У майбутніх дослідженнях можна буде об'єднати отримання даних з урахуванням відстані з реконструкцією з урахуванням розсіювання або з урахуванням фізичних принципів і більш чутливими детекторами, що вкаже на швидше дослідження тканин, обчислювальну візуалізацію через складні середовища і компактні прилади для лабораторій, де традиційні платформи важко масштабувати."
