Gli scienziati dell’Università del Connecticut hanno svelato un nuovo sistema di imaging, il Multiscale Aperture Synthesis Imager (MASI), che supera i limiti dell’ottica tradizionale basata su lenti per ottenere una risoluzione 3D sub-micronica senza la necessità di lenti. Ispirato dalle tecniche utilizzate in radioastronomia – comprese quelle che hanno permesso la prima immagine di un buco nero – MASI promette applicazioni trasformative nel campo della medicina legale, della diagnostica medica e del telerilevamento.
Superare una barriera tecnica di vecchia data
Per decenni, l’imaging ottico ad alta risoluzione è stato vincolato dalla fisica della luce. L’imaging ad apertura sintetica (SAI) convenzionale richiede una sincronizzazione precisa tra più sensori, un’impresa facilmente ottenibile alle lunghezze d’onda radio a causa delle loro lunghezze d’onda più lunghe. Tuttavia, alle lunghezze d’onda della luce visibile, dove i dettagli di interesse sono misurati in micrometri, tale sincronizzazione diventa quasi impossibile da mantenere fisicamente.
MASI risolve questo problema spostando il carico di sincronizzazione dall’hardware al software. Invece di richiedere che i sensori operino in perfetta sincronia fisica, consente a ciascun sensore di misurare la luce in modo indipendente. Algoritmi computazionali poi uniscono questi dati indipendenti in un’immagine coerente e ad altissima risoluzione. Il processo è analogo a quello in cui più fotografi catturano una scena e consentono al software di combinare i dati grezzi in un’unica ricostruzione altamente dettagliata.
Come funziona MASI: diffrazione, non rifrazione
L’imaging convenzionale si basa sulle lenti per focalizzare la luce. MASI adotta un approccio fondamentalmente diverso: utilizza una serie di sensori codificati posizionati su un piano di diffrazione per catturare modelli di diffrazione grezzi. Questi modelli contengono sia informazioni sull’ampiezza che sulla fase, che vengono recuperate computazionalmente. Il sistema quindi propaga digitalmente questi campi d’onda per ricostruire l’immagine.
L’innovazione chiave risiede nella sincronizzazione delle fasi computazionali. Invece di allineare fisicamente i sensori, MASI regola iterativamente gli sfasamenti relativi dei dati di ciascun sensore nel software per massimizzare la coerenza complessiva. Ciò elimina il limite di diffrazione e altri vincoli imposti dall’ottica tradizionale. Il risultato è un’apertura sintetica virtuale che può essere più grande di qualsiasi singolo sensore, consentendo una risoluzione senza precedenti e un’ampia copertura del campo.
Implicazioni e scalabilità
I vantaggi dell’imaging senza lenti sono significativi. Gli obiettivi tradizionali costringono i progettisti a scendere a compromessi: una risoluzione più elevata richiede una maggiore vicinanza all’oggetto, limitando la distanza di lavoro e rendendo alcune attività impraticabili. MASI, al contrario, può catturare schemi di diffrazione a pochi centimetri di distanza, ricostruendo immagini a livelli inferiori al micron.
“È come esaminare le sottili creste di un capello umano dalla scrivania invece di allontanarlo a pochi centimetri dall’occhio”, spiega il professor Guoan Zheng, autore senior dello studio. Il sistema è inoltre scalabile in modo lineare, il che significa che l’aumento della risoluzione non richiede hardware esponenzialmente più complesso, a differenza dell’ottica tradizionale. Questa scalabilità suggerisce il potenziale per array ancora più grandi e applicazioni impreviste in futuro.
I risultati del team, pubblicati su Nature Communications, rappresentano un significativo passo avanti nella tecnologia dell’imaging. La capacità di ottenere un’elevata risoluzione senza lenti apre le porte a un’ampia gamma di possibilità, dall’analisi forense dettagliata alla diagnostica medica non invasiva.
