Naukowcy z Uniwersytetu w Connecticut zaprezentowali nowy system obrazowania, Multiscale Aperture Synthesis Imager (MASI), który omija ograniczenia tradycyjnej optyki obiektywowej i pozwala uzyskać submikronową rozdzielczość 3D bez użycia soczewek. Zainspirowany technikami stosowanymi w radioastronomii – w tym tymi, które pozwoliły uzyskać pierwszy obraz czarnej dziury – MASI zapewnia rewolucyjne zastosowania w kryminalistyce, diagnostyce medycznej i teledetekcji.
Pokonanie istniejącej od dawna bariery technicznej
Przez dziesięciolecia obrazowanie optyczne o wysokiej rozdzielczości było ograniczone prawami fizyki światła. Tradycyjne obrazowanie z syntetyczną aperturą (SAI) wymaga precyzyjnej synchronizacji między wieloma czujnikami, co jest łatwo osiągalne przy użyciu fal radiowych ze względu na ich większą długość fali. Jednak przy długościach fal światła widzialnego, gdzie szczegóły mierzone są w mikrometrach, utrzymanie takiej synchronizacji jest fizycznie prawie niemożliwe.
MASI rozwiązuje ten problem, przenosząc obciążenie synchronizacją ze sprzętu na oprogramowanie. Zamiast wymagać od czujników działania w doskonałej synchronizacji fizycznej, system pozwala każdemu czujnikowi na niezależny pomiar światła. Algorytmy obliczeniowe łączą następnie te niezależne dane w jeden obraz o ultrawysokiej rozdzielczości. Proces ten przypomina fotografowanie tej samej sceny przez wielu fotografów, a następnie umożliwienie oprogramowaniu połączenia oryginalnych danych w bardzo szczegółową rekonstrukcję.
Jak działa MASI: dyfrakcja, a nie załamanie
Tradycyjne obrazowanie opiera się na soczewkach skupiających światło. MASI przyjmuje zasadniczo odmienne podejście: wykorzystuje szereg kodowanych czujników umieszczonych na płaszczyźnie dyfrakcyjnej w celu uchwycenia oryginalnych wzorów dyfrakcyjnych. Wzory te zawierają informacje o amplitudzie i fazie, które są rekonstruowane obliczeniowo. Następnie system numerycznie propaguje te pola fal z powrotem, aby zrekonstruować obraz.
Kluczową innowacją jest synchronizacja faz obliczeniowych. Zamiast fizycznie dopasowywać czujniki, MASI iteracyjnie dostosowuje względne przesunięcia fazowe danych każdego czujnika w oprogramowaniu, aby zmaksymalizować ogólną spójność. Eliminuje to granicę dyfrakcji i inne ograniczenia narzucane przez tradycyjną optykę. Rezultatem jest wirtualna apertura syntetyczna, która może być większa niż jakikolwiek pojedynczy czujnik, zapewniając niespotykaną rozdzielczość i szerokie pokrycie pola widzenia.
Wpływ i skalowalność
Korzyści z obrazowania bez obiektywu są znaczące. Tradycyjne obiektywy zmuszają projektantów do kompromisów: wyższa rozdzielczość wymaga zbliżenia się do fotografowanego obiektu, co ogranicza odległość roboczą i sprawia, że niektóre zadania stają się niepraktyczne. Natomiast MASI może rejestrować wzory dyfrakcyjne z odległości kilku centymetrów, rekonstruując obrazy z rozdzielczością submikronową.
„To jakby patrzeć na delikatne fałdy ludzkiego włosa z wyciągniętej ręki, zamiast trzymać go blisko oka” – wyjaśnia profesor Guoan Zheng, główny autor badania. System skaluje się również liniowo, co oznacza, że zwiększenie rozdzielczości nie wymaga wykładniczo bardziej złożonego sprzętu, w przeciwieństwie do tradycyjnej optyki. Ta skalowalność implikuje możliwość tworzenia jeszcze większych tablic i nieprzewidzianych aplikacji w przyszłości.
Wyniki zespołu opublikowane w Nature Communications stanowią znaczący krok naprzód w technologii obrazowania. Możliwość osiągnięcia wysokiej rozdzielczości bez użycia soczewek otwiera drzwi do szerokiego spektrum możliwości, od szczegółowych analiz kryminalistycznych po nieinwazyjną diagnostykę medyczną.
