Вчені з Університету Коннектикуту представили нову систему обробки зображень, Multiscale Aperture Synthesis Imager (MASI), яка обходить обмеження традиційної лінзової оптики для досягнення субмікронної 3D-роздільності без використання лінз. Натхненний технікою, що використовується в радіоастрономії, зокрема тими, які дали перше зображення чорної діри, MASI обіцяє трансформаційні застосування в криміналістиці, медичній діагностиці та дистанційному зондуванні.
Подолання давно існуючого технічного бар’єру
Десятиліттями оптичне зображення високої роздільної здатності обмежувалося законами фізики світла. Традиційне зображення із синтетичною апертурою (SAI) вимагає точної синхронізації між кількома датчиками, що легко досягти за допомогою радіохвиль завдяки їхній більшій довжині хвилі. Однак на довжинах хвиль видимого світла, де деталі вимірюються в мікрометрах, підтримувати таку синхронізацію фізично майже неможливо.
MASI вирішує цю проблему, переносячи тягар синхронізації з апаратного забезпечення на програмне забезпечення. Замість того, щоб датчики працювали в ідеальній фізичній синхронності, система дозволяє кожному датчику вимірювати світло незалежно. Потім обчислювальні алгоритми об’єднують ці незалежні дані в одне зображення з надвисокою роздільною здатністю. Процес подібний до того, як кілька фотографів знімають ту саму сцену, а потім дозволяють програмному забезпеченню об’єднати їхні вихідні дані в дуже детальну реконструкцію.
Як працює MASI: дифракція, а не рефракція
Традиційне зображення покладається на лінзи для фокусування світла. MASI використовує принципово інший підхід: він використовує масив кодованих датчиків, розташованих у площині дифракції, для захоплення оригінальних дифракційних картин. Ці шаблони містять інформацію про амплітуду та фазу, які реконструюються обчислювальним шляхом. Потім система чисельно поширює ці хвильові поля назад, щоб реконструювати зображення.
Ключовою інновацією є синхронізація фази обчислення. Замість фізичного вирівнювання датчиків MASI ітеративно регулює відносні фазові зміщення даних кожного датчика в програмному забезпеченні, щоб максимізувати загальну узгодженість. Це усуває межу дифракції та інші обмеження традиційної оптики. Результатом є віртуальна синтетична діафрагма, яка може бути більшою, ніж у будь-якого окремого датчика, забезпечуючи безпрецедентну роздільну здатність і широке поле огляду.
Вплив і масштабованість
Переваги безлінзового зображення значні. Традиційні об’єктиви змушують дизайнерів йти на компроміси: вища роздільна здатність вимагає наближення до об’єкта, що обмежує робочу відстань і робить певні завдання непрактичними. MASI, навпаки, може вловлювати дифракційні картини з відстані кількох сантиметрів, реконструюючи зображення з субмікронною роздільною здатністю.
«Це схоже на те, що дивитися на тонкі виступи на людській волосині на відстані витягнутої руки, а не тримати її близько до очей», — пояснює професор Гуан Чжен, провідний автор дослідження. Система також лінійно масштабується, тобто підвищення роздільної здатності не потребує експоненціально більш складного апаратного забезпечення, на відміну від традиційної оптики. Ця масштабованість передбачає можливість створення ще більших масивів і непередбачених програм у майбутньому.
Результати команди, опубліковані в Nature Communications, являють собою значний крок вперед у технології обробки зображень. Можливість досягти високої роздільної здатності без використання лінз відкриває широкі можливості, від детального криміналістичного аналізу до неінвазивної медичної діагностики.
