Wissenschaftler der University of Connecticut haben ein neuartiges Bildgebungssystem vorgestellt, den Multiscale Aperture Synthesis Imager (MASI), der die Einschränkungen herkömmlicher linsenbasierter Optiken umgeht und eine 3D-Auflösung im Submikrometerbereich ohne die Notwendigkeit von Linsen erreicht. Inspiriert von Techniken der Radioastronomie – einschließlich derjenigen, die das erste Bild eines Schwarzen Lochs ermöglichten – verspricht MASI transformative Anwendungen in der Forensik, der medizinischen Diagnostik und der Fernerkundung.
Überwindung einer seit langem bestehenden technischen Barriere
Jahrzehntelang war die hochauflösende optische Bildgebung durch die Physik des Lichts eingeschränkt. Konventionelle Bildgebung mit synthetischer Apertur (SAI) erfordert eine präzise Synchronisierung zwischen mehreren Sensoren, eine Leistung, die bei Radiowellenlängen aufgrund ihrer längeren Wellenlängen leicht zu erreichen ist. Bei sichtbaren Lichtwellenlängen, bei denen interessierende Details in Mikrometern gemessen werden, ist es jedoch nahezu unmöglich, eine solche Synchronisierung physikalisch aufrechtzuerhalten.
MASI löst dieses Problem, indem es die Synchronisierungslast von der Hardware auf die Software verlagert. Anstatt zu verlangen, dass die Sensoren perfekt physikalisch synchron arbeiten, ermöglicht es jedem Sensor, das Licht unabhängig zu messen. Rechenalgorithmen fügen diese unabhängigen Daten dann zu einem kohärenten Bild mit ultrahoher Auflösung zusammen. Der Prozess ist vergleichbar damit, dass mehrere Fotografen eine Szene aufnehmen und es einer Software ermöglichen, ihre Rohdaten zu einer einzigen, hochdetaillierten Rekonstruktion zu kombinieren.
So funktioniert MASI: Beugung, nicht Brechung
Konventionelle Bildgebung basiert auf Linsen, um das Licht zu fokussieren. MASI verfolgt einen grundlegend anderen Ansatz: Es verwendet eine Reihe codierter Sensoren, die in einer Beugungsebene positioniert sind, um rohe Beugungsmuster zu erfassen. Diese Muster enthalten sowohl Amplituden- als auch Phaseninformationen, die rechnerisch wiederhergestellt werden. Das System überträgt diese Wellenfelder dann digital zurück, um das Bild zu rekonstruieren.
Die wichtigste Innovation liegt in der rechnerischen Phasensynchronisation. Anstatt Sensoren physisch auszurichten, passt MASI iterativ die relativen Phasenversätze der Daten jedes Sensors in der Software an, um die Gesamtkohärenz zu maximieren. Dadurch entfallen die Beugungsgrenze und andere Einschränkungen, die herkömmliche Optiken mit sich bringen. Das Ergebnis ist eine virtuelle synthetische Apertur, die größer sein kann als jeder einzelne Sensor und eine beispiellose Auflösung und große Feldabdeckung ermöglicht.
Implikationen und Skalierbarkeit
Die Vorteile der objektivfreien Bildgebung sind erheblich. Herkömmliche Objektive zwingen Designer zu Kompromissen: Eine höhere Auflösung erfordert eine größere Nähe zum Objekt, was den Arbeitsabstand begrenzt und bestimmte Aufgaben unpraktisch macht. Im Gegensatz dazu kann MASI Beugungsmuster aus Zentimetern Entfernung erfassen und Bilder im Submikrometerbereich rekonstruieren.
„Das ist so, als würde man die feinen Grate eines menschlichen Haares von einem Schreibtisch aus untersuchen, anstatt es nur wenige Zentimeter vom Auge entfernt zu betrachten“, erklärt Professor Guoan Zheng, leitender Autor der Studie. Das System skaliert auch linear, was bedeutet, dass eine Erhöhung der Auflösung im Gegensatz zu herkömmlichen Optiken keine exponentiell komplexere Hardware erfordert. Diese Skalierbarkeit lässt auf Potenzial für noch größere Arrays und unvorhergesehene Anwendungen in der Zukunft schließen.
Die in Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse des Teams stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Bildgebungstechnologie dar. Die Möglichkeit, ohne Linsen eine hohe Auflösung zu erreichen, eröffnet vielfältige Möglichkeiten, von der detaillierten forensischen Analyse bis zur nicht-invasiven medizinischen Diagnostik.
