rozwiń ›

Dlaczego klasyczna optyka ma swoje granice?

Od wieków do obrazowania wykorzystujemy soczewki – w mikroskopach, aparatach fotograficznych czy teleskopach. Choć umożliwiają one ogromne powiększenia, narzucają też istotne ograniczenia. Aby zobaczyć bardzo drobne szczegóły, soczewka musi znajdować się bardzo blisko obiektu, co bywa niewygodne, a czasem wręcz niemożliwe.

Reklama

Dodatkowo klasyczna optyka zmaga się z tzw. granicą dyfrakcyjną, która ogranicza maksymalną możliwą rozdzielczość obrazu. Przez lata wydawało się, że tych barier nie da się obejść.

Inspiracja z kosmosu… i czarnych dziur

Rozwiązanie przyszło z nieoczekiwanej strony. Naukowcy zainspirowali się techniką apertury syntetycznej, znaną z radioastronomii. To właśnie ona umożliwiła wykonanie pierwszego w historii obrazu czarnej dziury przez Event Horizon Telescope – sieć radioteleskopów rozmieszczonych na całym świecie.

Problem w tym, że metoda ta działa świetnie dla fal radiowych, ale niemal nie da się jej zastosować w świetle widzialnym, gdzie wymagania dotyczące precyzyjnej synchronizacji są ekstremalnie wysokie.

MASI – gdy oprogramowanie zastępuje soczewki

Reklama

Nowa technologia, nazwana Multiscale Aperture Synthesis Imager (MASI), całkowicie zmienia podejście do tego problemu. Zamiast próbować idealnie synchronizować wiele czujników optycznych, MASI pozwala im działać niezależnie, a synchronizację wykonuje dopiero później – na etapie obliczeń.

Każdy czujnik rejestruje tzw. wzory dyfrakcyjne, czyli sposób, w jaki fale świetlne rozchodzą się po kontakcie z obiektem. Te dane zawierają znacznie więcej informacji, niż zwykłe zdjęcie – w tym informacje o fazie fal świetlnych. Następnie zaawansowane algorytmy łączą te pomiary w jeden spójny obraz o bardzo wysokiej rozdzielczości. Efekt? Wirtualna, „syntetyczna” apertura większa niż jakikolwiek pojedynczy czujnik – bez użycia soczewek.

Mikroskopijne detale z dużej odległości

Jednym z najbardziej imponujących osiągnięć MASI jest możliwość uzyskania rozdzielczości submikrometrowej z odległości rzędu centymetrów. Dla porównania: to tak, jakby móc dostrzec drobne struktury ludzkiego włosa z drugiego końca biurka, bez potrzeby zbliżania oka czy obiektu. To ogromna przewaga nad klasycznymi mikroskopami, które wymagają bardzo małych odległości roboczych.

Od medycyny po przemysł i kryminalistykę

Potencjalne zastosowania nowej technologii są niezwykle szerokie. MASI może znaleźć zastosowanie m.in. w:

  • diagnostyce medycznej i biologii komórkowej,
  • badaniach kryminalistycznych,
  • kontroli jakości w przemyśle,
  • teledetekcji i monitoringu środowiska.

Co więcej, system jest łatwo skalowalny – w przeciwieństwie do tradycyjnej optyki, której złożoność gwałtownie rośnie wraz z rozmiarem, MASI można rozbudowywać liniowo, dodając kolejne czujniki.

Nowy paradygmat w obrazowaniu

Multiscale Aperture Synthesis Imager pokazuje, że przyszłość obrazowania może należeć nie do coraz doskonalszych soczewek, lecz do inteligentnych algorytmów. Przeniesienie kluczowych ograniczeń z fizyki do świata obliczeń otwiera zupełnie nowe możliwości – takie, które jeszcze kilka lat temu wydawały się czystą fantastyką naukową.

Źródło: University of Connecticut