Wetenschappers van de Universiteit van Connecticut hebben een nieuw beeldvormingssysteem onthuld, de Multiscale Aperture Synthesis Imager (MASI), dat de beperkingen van traditionele op lenzen gebaseerde optica omzeilt om een sub-micron 3D-resolutie te bereiken zonder de noodzaak van lenzen. Geïnspireerd door technieken die worden gebruikt in de radioastronomie – waaronder de technieken die het eerste beeld van een zwart gat mogelijk maakten – belooft MASI transformerende toepassingen in forensisch onderzoek, medische diagnostiek en teledetectie.
Een langdurige technische barrière overwinnen
Decennia lang werd optische beeldvorming met hoge resolutie beperkt door de fysica van licht. Conventionele synthetische apertuurbeeldvorming (SAI) vereist nauwkeurige synchronisatie tussen meerdere sensoren, een prestatie die gemakkelijk kan worden bereikt bij radiogolflengten vanwege hun langere golflengten. Bij golflengten van zichtbaar licht, waar interessante details worden gemeten in micrometers, wordt een dergelijke synchronisatie echter fysiek bijna onmogelijk te handhaven.
MASI lost dit op door de synchronisatielast te verschuiven van hardware naar software. In plaats van te eisen dat sensoren in perfecte fysieke synchronisatie werken, kan elke sensor onafhankelijk licht meten. Computationele algoritmen voegen deze onafhankelijke gegevens vervolgens samen tot een samenhangend beeld met ultrahoge resolutie. Het proces is analoog aan het feit dat meerdere fotografen een scène vastleggen en software hun onbewerkte gegevens laten combineren tot één enkele, zeer gedetailleerde reconstructie.
Hoe MASI werkt: diffractie, geen breking
Conventionele beeldvorming is afhankelijk van lenzen om licht te focusseren. MASI hanteert een fundamenteel andere aanpak: het maakt gebruik van een reeks gecodeerde sensoren die in een diffractievlak zijn geplaatst om ruwe diffractiepatronen vast te leggen. Deze patronen bevatten zowel amplitude- als fase-informatie, die computationeel worden hersteld. Het systeem plant deze golfvelden vervolgens digitaal terug om het beeld te reconstrueren.
De belangrijkste innovatie ligt in computationele fasesynchronisatie. In plaats van sensoren fysiek uit te lijnen, past MASI iteratief de relatieve fase-offsets van de gegevens van elke sensor in software aan om de algehele coherentie te maximaliseren. Dit elimineert de diffractielimiet en andere beperkingen die worden opgelegd door traditionele optica. Het resultaat is een virtueel synthetisch diafragma dat groter kan zijn dan welke enkele sensor dan ook, waardoor een ongekende resolutie en brede velddekking mogelijk is.
Implicaties en schaalbaarheid
De voordelen van lensloze beeldvorming zijn aanzienlijk. Traditionele lenzen dwingen ontwerpers tot compromissen: een hogere resolutie vereist een dichtere nabijheid van het object, waardoor de werkafstand wordt beperkt en bepaalde taken onpraktisch worden. MASI kan daarentegen diffractiepatronen van centimeters afstand vastleggen, waardoor beelden op submicronniveau worden gereconstrueerd.
“Dit is vergelijkbaar met het onderzoeken van de fijne ribbels van een mensenhaar vanaf de andere kant van een bureaublad, in plaats van het centimeters van je oog te halen”, legt professor Guoan Zheng, senior auteur van het onderzoek, uit. Het systeem schaalt ook lineair, wat betekent dat het verhogen van de resolutie geen exponentieel complexere hardware vereist, in tegenstelling tot traditionele optica. Deze schaalbaarheid suggereert potentieel voor nog grotere arrays en onvoorziene toepassingen in de toekomst.
De bevindingen van het team, gepubliceerd in Nature Communications, vertegenwoordigen een aanzienlijke sprong voorwaarts in de beeldtechnologie. De mogelijkheid om zonder lenzen een hoge resolutie te bereiken, opent deuren naar een breed scala aan mogelijkheden, van gedetailleerde forensische analyse tot niet-invasieve medische diagnostiek.
