Ett forskarlag vid University of Connecticut (UConn) har presenterat ett genombrott inom optisk avbildning som utmanar de grundläggande fysiska lagarna för hur vi fångar bilder. Genom att utveckla en teknik kallad Multiscale Aperture Synthesis Imager (MASI) har ingenjörerna lyckats skapa en 3D-bildsensor med mikroskopisk upplösning helt utan traditionella linser. Systemet övervinner den så kallade diffraktionsgränsen, vilket möjliggör högupplöst avbildning över ett brett synfält med synligt ljus.
MASI: En virtuell lins byggd av data
Kärnan i genombrottet är MASI-tekniken, som frångår det traditionella beroendet av fysiska glaselement. Istället för att använda en lins för att fokusera ljus på en sensor, använder MASI en metod baserad på beräkningsbaserad fassynkronisering (computational phase synchronization).
Genom att slå samman mätningar från flera sensorer kan systemet syntetisera en massiv virtuell öppning, eller “apertur”. Detta gör det möjligt för enheten att uppnå en detaljrikedom som tidigare krävt extremt komplexa och skrymmande mikroskop. Istället för att förlita sig på hårdvarans fysiska krökning för att korrigera ljusstrålar, löser MASI bildskapandet genom avancerade algoritmer som synkroniserar ljusets fasinformation i efterhand.
Att bryta diffraktionsgränsen
Inom traditionell optik begränsas upplösningen av diffraktionsgränsen – en fysisk barriär som bestämmer hur små detaljer ett objektiv kan urskilja baserat på ljusets våglängd. Vanligtvis tvingas optiska system välja mellan hög upplösning (vilket kräver kraftig förstoring och ett litet synfält) eller ett brett synfält (vilket resulterar i låg upplösning).
MASI eliminerar denna kompromiss. Genom att använda tekniken för apertursyntes kan sensorarrayen fånga information som ligger bortom vad en enskild lins skulle kunna hantera. Resultatet är högupplöst 3D-avbildning i mikroskopisk skala som täcker ett förvånansvärt stort område, allt i synligt ljus.
Från hårdvarufokus till beräkningsbaserad optik
Projektet leds av Guoan Zheng och hans team av ingenjörer vid UConn. Enligt Zheng representerar detta ett fundamentalt skifte i hur vi ser på bildteknik. Istället för att försöka bygga mer perfekta fysiska linser, flyttas ansvaret för bildkvalitet och upplösning till beräkningskraft och algoritmer.
Zheng förklarar att tekniken tillåter dem att gå bortom den traditionella “diffraktionsbarriären”. Detta öppnar upp för nya möjligheter där avbildningssystem kan göras betydligt mindre, lättare och billigare, samtidigt som de levererar prestanda som tidigare varit fysiskt omöjlig i det formatet.
Framtida tillämpningar och potential
Eftersom MASI-sensorn är linslös och kan producera 3D-bilder med hög precision, förutspår forskarna att tekniken kan få en genomgripande inverkan på flera områden:
- Biomedicinsk forskning: Möjligheten att studera biologiska prover i 3D med hög upplösning över stora ytor utan behov av tunga mikroskop.
- Industriell inspektion: Effektiv granskning av mikroelektronik och materialytor där precision är avgörande.
- Miniatriserade system: Eftersom tunga linser inte behövs, kan tekniken bana väg för nästa generation av extremt kompakta kamerasystem för allt från drönare till medicinska instrument.
Genom att kombinera flera sensorer och använda matematisk elegans för att synkronisera ljusdata, har UConn-ingenjörerna inte bara skapat en ny sensor – de har omdefinierat de optiska begränsningarna för vad som är möjligt att avbilda i 3D.