Технології зображення радикально змінили наше уявлення про світ. Вони дозволили людству картографувати віддалені галактики за допомогою радіотелескопів і водночас зазирнути всередину живих клітин на мікроскопічному рівні.
Щоб дізнатись останні новини, слідкуйте за нашим каналом Google News онлайн або через застосунок.
Проте, попри десятиліття інновацій, оптична візуалізація й досі стикається з фундаментальною проблемою. Отримання зображень із високою роздільною здатністю та широким полем зору у видимому діапазоні хвиль зазвичай вимагає складних лінзових систем і надзвичайно жорстких вимог до вирівнювання.
Команда дослідників під керівництвом Гуоана Чженга, професора біомедичної інженерії та директора Центру біомедичних і біоінженерних інновацій Університету Коннектикуту, запропонувала рішення, яке може докорінно змінити правила гри. Результати їхнього дослідження були опубліковані в журналі Nature Communications і вже зараз розглядаються як потенційний прорив для науки, медицини та промисловості.
В основі розробки лежить спроба подолати давню технічну проблему, з якою стикаються всі оптичні системи високої точності. Йдеться про зображення з синтезованою апертурою – метод, що дозволяє поєднувати дані з кількох просторово рознесених сенсорів так, ніби вони утворюють одну велику апертуру. Саме цей підхід свого часу зробив можливим отримання першого зображення чорної діри телескопом Event Horizon Telescope.
У радіоастрономії синтез апертури працює відносно просто, адже довжина хвиль радіовипромінювання досить велика, що дозволяє точно синхронізувати вимірювання між датчиками. Однак у випадку видимого світла ситуація кардинально інша. Тут довжини хвиль на кілька порядків менші, а вимоги до синхронізації стають настільки жорсткими, що їх практична реалізація майже неможлива.
Саме цю проблему вирішує мультимасштабний апертурний синтезатор зображень, або MASI. Замість того щоб змушувати кілька оптичних сенсорів працювати в ідеальній фізичній синхронізації з нанометровою точністю, система дозволяє кожному з них виконувати вимірювання незалежно. Подальша синхронізація відбувається вже на рівні обчислень, за допомогою спеціально розроблених алгоритмів.
Як пояснює Чженг, принцип роботи MASI можна порівняти з ситуацією, коли кілька фотографів знімають одну й ту саму сцену. Але замість звичайних фотографій вони фіксують сирі вимірювання характеристик світлових хвиль. Потім програмне забезпечення об’єднує ці незалежні дані в єдине зображення з надвисокою роздільною здатністю.
Ключовою інновацією тут є обчислювальна фазова синхронізація. Вона усуває потребу в громіздких інтерферометричних установках, які раніше стримували розвиток оптичних систем із синтезованою апертурою. MASI принципово відрізняється від традиційної оптики одразу в кількох аспектах.
По-перше, система повністю відмовляється від лінз як засобу фокусування світла. Замість цього використовується масив кодованих сенсорів, розташованих у різних точках дифракційної площини. Кожен із них реєструє дифракційні картини – своєрідні «відбитки» того, як світлові хвилі поширюються після взаємодії з об’єктом.
Ці дифракційні вимірювання містять інформацію не лише про амплітуду, а й про фазу світлової хвилі. Обидва параметри відновлюються за допомогою обчислювальних алгоритмів. Після цього система відтворює повне хвильове поле для кожного сенсора, цифровим способом поширює його назад до площини об’єкта та переходить до найважливішого етапу.
Алгоритм фазової синхронізації ітеративно коригує відносні фазові зсуви між даними різних сенсорів, максимізуючи загальну когерентність і енергію в об’єднаній реконструкції. Завдяки цьому синхронізація досягається не фізичним вирівнюванням обладнання, а програмними методами.
Саме цей підхід дозволяє MASI долати дифракційну межу та інші фундаментальні обмеження традиційної оптики. У результаті формується віртуальна синтетична апертура, розмір якої значно перевищує можливості будь-якого окремого сенсора. Це забезпечує субмікронну роздільну здатність у поєднанні з широким полем зору, причому без використання лінз.
Традиційні лінзові системи, незалежно від того, чи йдеться про мікроскопи, камери або телескопи, змушують інженерів шукати компроміси. Для розпізнавання дрібних деталей лінзи потрібно розміщувати дуже близько до об’єкта, часто на відстані всього кількох міліметрів. Це обмежує робочу дистанцію, ускладнює експлуатацію й робить певні типи візуалізації або незручними, або інвазивними.
MASI повністю змінює цей підхід. Система здатна фіксувати дифракційні картини з відстані в кілька сантиметрів і при цьому відтворювати зображення із субмікронною деталізацією. Це схоже на здатність бачити мікроструктури мікрочипа з великої відстані без оптичного збільшення.
За словами Чженга, потенційні сфери застосування MASI надзвичайно широкі. Вони охоплюють криміналістику, медичну діагностику, промисловий контроль якості та системи дистанційного зондування. Водночас найперспективнішою характеристикою розробки він називає масштабованість. На відміну від класичних оптичних систем, складність яких зростає експоненціально зі збільшенням розміру, архітектура MASI масштабується лінійно. Це відкриває шлях до створення великих масивів сенсорів і застосувань, які сьогодні ще складно навіть уявити.
Мультимасштабний апертурний синтезатор зображень фактично представляє собою парадигмальний зсув в оптичній візуалізації. У цій парадигмі саме обчислення беруть на себе вирішення фундаментальних обмежень фізичної оптики. Відокремлюючи процес вимірювання від синхронізації та замінюючи громіздкі лінзи програмно керованими масивами сенсорів, MASI відкриває новий клас систем зображення – високоточних, гнучких і готових до масштабування в майбутньому.
Читайте також: