Esta nova tecnologia de imagem quebra as regras da óptica

Um estudo recém-publicado em Comunicações da Natureza oferece um possível caminho a seguir. O trabalho foi liderado por Guoan Zheng, professor de engenharia biomédica e diretor do Centro UConn para Inovação Biomédica e Bioengenharia (CBBI), juntamente com sua equipe de pesquisa da Faculdade de Engenharia da Universidade de Connecticut. Suas descobertas introduzem uma nova abordagem de imagem que pode remodelar a forma como os sistemas ópticos são projetados e usados ​​na ciência, na medicina e na indústria.

Por que a imagem de abertura sintética é insuficiente em óptica

“No centro deste avanço está um problema técnico de longa data”, disse Zheng. “A imagem de abertura sintética – o método que permitiu ao Event Horizon Telescope obter imagens de um buraco negro – funciona combinando de forma coerente medições de vários sensores separados para simular uma abertura de imagem muito maior.”

Esta estratégia tem sido muito bem-sucedida na radioastronomia porque as ondas de rádio têm comprimentos de onda longos, tornando viável a sincronização precisa de sinais coletados por sensores amplamente espaçados. A luz visível, entretanto, opera em uma escala muito menor. Nesses comprimentos de onda, a precisão física necessária para manter vários sensores perfeitamente sincronizados torna-se extraordinariamente difícil, senão impossível, de ser alcançada usando métodos convencionais.

MASI e uma abordagem de sincronização que prioriza o software

O Multiscale Aperture Synthesis Imager (MASI) adota uma abordagem fundamentalmente diferente para esse desafio. Em vez de exigir que os sensores ópticos permaneçam em alinhamento físico exato, o MASI permite que cada sensor colete luz de forma independente. Algoritmos computacionais avançados são então usados ​​para sincronizar os dados após a conclusão das medições.

Zheng compara a ideia a um grupo de fotógrafos capturando a mesma cena. Em vez de tirar fotos tradicionais, cada fotógrafo registra informações brutas sobre como as ondas de luz se comportam. O software então combina essas medições separadas em uma única imagem de resolução extremamente alta.

Ao lidar com a sincronização de fase computacionalmente, o MASI evita as configurações interferométricas rígidas que há muito limitam a praticidade dos sistemas ópticos de abertura sintética.

Como funciona a imagem sem lente no MASI

O MASI se afasta da imagem óptica tradicional de duas maneiras principais. Primeiro, elimina completamente as lentes. Em vez de focar a luz através do vidro, o sistema utiliza uma série de sensores codificados colocados em diferentes locais dentro de um plano de difração. Cada sensor registra padrões de difração, que descrevem como as ondas de luz se espalham após interagirem com um objeto. Esses padrões contêm informações de amplitude e fase que podem ser posteriormente recuperadas usando técnicas computacionais.

Após a reconstrução do campo de ondas complexo de cada sensor, o sistema estende digitalmente os dados e propaga matematicamente os campos de ondas de volta ao plano do objeto. Um processo computacional de sincronização de fase ajusta então as diferenças relativas de fase entre os sensores. Esta otimização iterativa aumenta a coerência e concentra a energia na imagem reconstruída final.

Este alinhamento baseado em software é a inovação central. Ao substituir a precisão física pela otimização computacional, o MASI contorna o limite de difração e outras restrições que tradicionalmente governam os sistemas de imagem óptica.

Uma abertura virtual com resolução submícron

O resultado é uma abertura sintética virtual muito maior do que qualquer sensor individual. Isso permite imagens com resolução submícron, ao mesmo tempo que cobre um amplo campo de visão, tudo sem o uso de lentes.

As lentes tradicionais usadas em microscópios, câmeras e telescópios forçam os engenheiros a fazer concessões. Alcançar uma resolução mais alta geralmente significa colocar a lente extremamente próxima do objeto, às vezes a apenas alguns milímetros de distância. Essa curta distância de trabalho pode tornar a geração de imagens difícil, impraticável ou até mesmo invasiva em determinadas aplicações.

O MASI elimina essa limitação ao capturar padrões de difração de distâncias medidas em centímetros. O sistema ainda pode reconstruir imagens com detalhes submicrométricos. Zheng compara isso a examinar as pequenas cristas de um fio de cabelo humano sobre uma mesa, em vez de segurá-lo a poucos centímetros do olho.

Imagens escaláveis ​​na ciência e na indústria

“As aplicações potenciais do MASI abrangem vários campos, desde ciência forense e diagnóstico médico até inspeção industrial e sensoriamento remoto”, disse Zheng, “Mas o que é mais interessante é a escalabilidade – ao contrário da óptica tradicional que se torna exponencialmente mais complexa à medida que cresce, nosso sistema é dimensionado linearmente, permitindo potencialmente grandes matrizes para aplicações que ainda nem imaginamos.”

O Multiscale Aperture Synthesis Imager aponta para uma nova direção para imagens ópticas. Ao separar a medição da sincronização e substituir componentes ópticos pesados ​​por conjuntos de sensores controlados por software, o MASI demonstra como a computação pode superar os limites impostos pela óptica física. O resultado é uma estrutura de imagem flexível, escalável e capaz de fornecer alta resolução de maneiras que antes estavam fora de alcance.