Vědci z University of Connecticut představili nový zobrazovací systém, Multiscale Aperture Synthesis Imager (MASI), který obchází omezení tradiční optiky čoček a dosahuje submikronového 3D rozlišení bez použití čoček. Inspirován technikami používanými v radioastronomii – včetně těch, které vytvořily první snímek černé díry – MASI slibuje transformační aplikace ve forenzní, lékařské diagnostice a dálkovém průzkumu Země.
Překonání dlouho existující technické bariéry
Po desetiletí bylo optické zobrazování s vysokým rozlišením omezeno zákony fyziky světla. Tradiční zobrazování se syntetickou aperturou (SAI) vyžaduje přesnou synchronizaci mezi více senzory, což je snadno dosažitelné pomocí rádiových vln díky jejich delší vlnové délce. Avšak na vlnových délkách viditelného světla, kde se detaily měří v mikrometrech, je udržení takové synchronizace fyzicky téměř nemožné.
MASI tento problém řeší přesunem zátěže synchronizace z hardwaru na software. Namísto toho, aby senzory fungovaly v dokonalé fyzické synchronizaci, systém umožňuje každému senzoru měřit světlo nezávisle. Výpočtové algoritmy pak tato nezávislá data spojí do jediného snímku s ultra vysokým rozlišením. Proces je podobný, jako když několik fotografů natáčí stejnou scénu a poté umožňuje softwaru spojit jejich původní data do vysoce detailní rekonstrukce.
Jak MASI funguje: difrakce, nikoli lom
Tradiční zobrazování spoléhá na čočky, které zaostřují světlo. MASI používá zásadně odlišný přístup: používá pole kódovaných senzorů umístěných v difrakční rovině k zachycení původních difrakčních obrazců. Tyto vzory obsahují informace o amplitudě a fázi, které jsou rekonstruovány výpočetně. Systém pak numericky šíří tato vlnová pole zpět, aby rekonstruoval obraz.
Klíčovou novinkou je výpočetní fázová synchronizace. Místo fyzického zarovnávání senzorů MASI iterativně upravuje relativní fázové offsety dat každého senzoru v softwaru, aby se maximalizovala celková koherence. To eliminuje difrakční limit a další omezení kladená tradiční optikou. Výsledkem je virtuální syntetická apertura, která může být větší než kterýkoli jednotlivý snímač, poskytuje bezprecedentní rozlišení a široké pokrytí zorného pole.
Dopad a škálovatelnost
Výhody bezčočkového zobrazování jsou značné. Tradiční objektivy nutí konstruktéry ke kompromisům: vyšší rozlišení vyžaduje přiblížení se k objektu, což omezuje pracovní vzdálenost a některé úkony jsou nepraktické. MASI naproti tomu dokáže zachytit difrakční obrazce ze vzdálenosti několika centimetrů a rekonstruovat snímky se submikronovým rozlišením.
„Je to jako dívat se na jemné vyvýšeniny na lidských vlasech na délku paže, než je držet blízko oka,“ vysvětluje profesor Guoan Zheng, hlavní autor studie. Systém se také lineárně mění, což znamená, že zvýšení rozlišení nevyžaduje exponenciálně složitější hardware, na rozdíl od tradiční optiky. Tato škálovatelnost implikuje možnost vytvářet v budoucnu ještě větší pole a nepředvídané aplikace.
Výsledky týmu, zveřejněné v Nature Communications, představují významný skok vpřed v technologii zobrazování. Schopnost dosáhnout vysokého rozlišení bez použití čoček otevírá dveře široké škále možností, od detailních forenzních analýz až po neinvazivní lékařskou diagnostiku.
