Científicos de la Universidad de Connecticut han presentado un novedoso sistema de imágenes, el Generador de imágenes de síntesis de apertura multiescala (MASI), que supera las limitaciones de la óptica tradicional basada en lentes para lograr resolución 3D submicrónica sin necesidad de lentes. Inspirándose en técnicas utilizadas en radioastronomía (incluidas aquellas que permitieron obtener la primera imagen de un agujero negro), MASI promete aplicaciones transformadoras en ciencia forense, diagnóstico médico y teledetección.
Superar una barrera técnica de larga data
Durante décadas, las imágenes ópticas de alta resolución se han visto limitadas por la física de la luz. Las imágenes de apertura sintética (SAI) convencionales requieren una sincronización precisa entre múltiples sensores, una hazaña que se logra fácilmente en longitudes de onda de radio debido a sus longitudes de onda más largas. Sin embargo, en longitudes de onda de luz visible, donde los detalles de interés se miden en micrómetros, dicha sincronización resulta casi imposible de mantener físicamente.
MASI resuelve esto trasladando la carga de sincronización del hardware al software. En lugar de exigir que los sensores funcionen en perfecta sincronía física, permite que cada sensor mida la luz de forma independiente. Los algoritmos computacionales luego unen estos datos independientes en una imagen coherente de ultra alta resolución. El proceso es análogo a que varios fotógrafos capturen una escena y permitan que el software combine sus datos sin procesar en una reconstrucción única y muy detallada.
Cómo funciona MASI: difracción, no refracción
Las imágenes convencionales se basan en lentes para enfocar la luz. MASI adopta un enfoque fundamentalmente diferente: utiliza una serie de sensores codificados colocados en un plano de difracción para capturar patrones de difracción sin procesar. Estos patrones contienen información tanto de amplitud como de fase, que se recuperan computacionalmente. Luego, el sistema propaga digitalmente estos campos de ondas para reconstruir la imagen.
La innovación clave radica en la sincronización de fases computacionales. En lugar de alinear físicamente los sensores, MASI ajusta iterativamente los desplazamientos de fase relativos de los datos de cada sensor en el software para maximizar la coherencia general. Esto elimina el límite de difracción y otras limitaciones impuestas por la óptica tradicional. El resultado es una apertura sintética virtual que puede ser mayor que la de cualquier sensor, lo que permite una resolución sin precedentes y una amplia cobertura de campo.
Implicaciones y escalabilidad
Los beneficios de las imágenes sin lentes son significativos. Las lentes tradicionales obligan a los diseñadores a hacer concesiones: una mayor resolución requiere una mayor proximidad al objeto, lo que limita la distancia de trabajo y hace que ciertas tareas sean poco prácticas. MASI, por el contrario, puede capturar patrones de difracción a centímetros de distancia, reconstruyendo imágenes a niveles submicrónicos.
“Esto es similar a examinar las finas crestas de un cabello humano desde el otro lado de un escritorio en lugar de acercarlo a centímetros del ojo”, explica el profesor Guoan Zheng, autor principal del estudio. El sistema también escala linealmente, lo que significa que aumentar la resolución no requiere un hardware exponencialmente más complejo, a diferencia de la óptica tradicional. Esta escalabilidad sugiere potencial para conjuntos aún más grandes y aplicaciones imprevistas en el futuro.
Los hallazgos del equipo, publicados en Nature Communications, representan un importante avance en la tecnología de imágenes. La capacidad de lograr alta resolución sin lentes abre las puertas a una amplia gama de posibilidades, desde análisis forenses detallados hasta diagnósticos médicos no invasivos.
