image: Researchers from the Optics Group at the Universitat Jaume I in Castellón have managed to correct in real time problems related to image aberrations in single-pixel microscopy using a recent technology: programmable deformable lenses. The new method was described by the research team in an open-access article recently published in Nature Communications and is part of the development of the European CONcISE project. The solution proposed by this team combines an adaptive lens (which “shapes” the light wavefront in real time) with a sensor-less method that evaluates image sharpness directly from the data, without complex algorithms. This approach corrects distortions caused both by the system and by the sample itself, producing sharper images, close to the physical resolution limit, without adding complexity to the microscope. This adaptive lens is known as a “multi-actuator adaptive lens” (M-AL), which can be easily integrated into the system without significantly modifying the traditional configuration of a single-pixel microscope based on structured illumination. These types of lenses consist of an optically transparent and deformable membrane (similar to a thin sheet of glass or polymer) that can change shape via actuators distributed around or behind it. The actuators that enable this deformation can be of different types: piezoelectric (the most common), which convert an electrical signal into a very precise mechanical deformation, and electrostatic or electromagnetic, which use electric or magnetic fields to deform the lens. Each actuator applies a small local force on the lens surface, allowing high-spatial-resolution wavefront modification—similar to a deformable mirror, but in transmission. Instead of using a camera with millions of pixels, samples are illuminated with a sequence of light patterns, and a single-pixel sensor collects the resulting signal. One of the challenges of this microscopy technique is that the micro-mirror chip generating the patterns, as well as the samples themselves, create small distortions that blur fine details in the images. However, the proposed solution corrects these errors using the deformable lens, providing microscopy images with unprecedented resolution to date. This new method lays the groundwork for future advances and has applications particularly in adaptive microscopy to compensate for aberrations in biological samples; retinal diagnostic instrumentation or vision simulators in ophthalmology; astronomical adaptive optics; industrial imaging systems; and augmented reality in fields such as biomedicine and materials science.
Credit: Universitat Jaume I of Castellón (Spain)
Investigadores del Grupo de Óptica de la Universitat Jaume I de Castellón han conseguido corregir en tiempo real problemas relacionados con las aberraciones de las imágenes en la técnica de microscopia de un solo píxel gracias a la aplicación de una tecnología reciente, las lentes deformables programables. El nuevo método ha sido explicado por el equipo investigador en un artículo recientemente publicado en acceso abierto en Nature Communications y se enmarca en el desarrollo del proyecto europeo CONcISE.
La solución propuesta por este equipo combina una lente adaptativa (que «daría forma» al frente de luz en tiempo real) con un método sin sensor que evalúa la nitidez de la imagen directamente en los datos, sin algoritmos complejos. Así, se corrigen las distorsiones producidas por el sistema y también por la propia muestra, y se obtienen imágenes más nítidas, cercanas al límite físico de resolución, sin añadir complejidad al microscopio.
Esa lente adaptativa sería la denominada «lente deformable multiactuador» (M-AL, por sus siglas en inglés) que se integra fácilmente en el equipo sin necesidad de modificar significativamente la configuración tradicional del microscopio de un solo píxel basado en iluminación estructurada. Este tipo de lentes están formadas por una membrana ópticamente transparente y deformable (como una lámina delgada de vidrio o polímero) que tiene la capacidad de cambiar de forma por actuadores distribuidos alrededor o detrás de ella.
Esos actuadores que la permiten cambiar pueden ser de diferentes tipos: piezoeléctricos (lo más comunes), que convierten una señal eléctrica en una deformación mecánica muy precisa, y electroestáticos o electromagnéticos, que usan los campos eléctricos o magnéticos para deformar la lente. Cada actuador ejerce una pequeña fuerza local sobre la superficies de la lente que facilita la modificación del frente de onda con alta resolución espacial, similar a un espejo deformable, pero en transmisión.
En lugar de usar una cámara con millones de píxeles, las muestras se iluminan con una secuencia de patrones de luz y se emplea un único sensor de un solo píxel para recoger la señal resultante. Uno de los problemas de esta técnica de microscopía es que el chip de microespejos que genera los patrones, así como las propias muestras, crean pequeñas distorsiones que difuminan los detalles finos en las imágenes. Sin embargo, nuestra propuesta corrige estos errores mediante la lente deformable, proporcionando imágenes de microscopía con una resolución sin precedentes hasta la fecha.
Este nuevo método prepara el terreno para futuros avances y tiene especialmente aplicación en microscopia adaptativa, para compensar aberraciones en muestras biológicas; en instrumentación de diagnóstico de la retina o simuladores de visión en oftalmología; en óptica adaptativa astronómica, sistemas de imagen industrial o realidad aumentada en áreas como la biomedicina o la ciencia de los materiales.
La red de doctorado europea COmputatioNal Imaging as training Network for Smart biomedical dEvices (CONcISE) está coordinada por el Consiglio Nazionale delle Ricerche de Italia y reúne ocho socios, entre ellos la UJI. Trabaja en el desarrollo de nueva instrumentación para aumentar la información de las imágenes médicas, haciéndolas más usables para el personal sanitario, más cómodas para los pacientes y más sencillas para el personal técnico.
El proyecto CONcISE está financiado por las acciones Marie Skłodowska-Curie (MSCA) del programa marco de investigación Horizon Europa (GA 101072354). El trabajo realizado y los investigadores cuentan también con el apoyo de otras subvenciones obtenidas competitivamente, como PID2022-142907OB-I00, financiada por MICIU/AEI/10.13039/501100011033 y FEDER/UE, o CIPROM/2023/44, financiada por la Generalitat Valenciana.
Artículo: «Hadamard based single-pixel microscopy using sensor-less adaptive optics supported by multi-actuator adaptive lens». Heberley Tobón-Maya, Lindsey Willstatter, Samuel I. Zapata-Valencia, Stefano Bonora, Enrique Tajahuerce y Jesús Lancis.
Página web del proyecto: https://concise-project.eu/
Journal
Nature Communications
Method of Research
Experimental study
Subject of Research
Not applicable
Article Title
Hadamard based single-pixel microscopy using sensor-less adaptive optics supported by multi-actuator adaptive lens
Article Publication Date
8-Dec-2025