W dziedzinie optyki i obrazowania cyfrowego, jak zresztą w większości innych, trwa nieustanna pogoń za poprawą osiągów – w tym przypadku oznacza to wyższą rozdzielczość przy jednoczesnym zmniejszaniu rozmiarów urządzeń. Potencjalnym przełomem w osiągnięciu tego może okazać się możliwość wyeliminowania jednego z większych gabarytowo elementów urządzeń fotograficznych – obiektywów. Czym jednak zastąpić ich niezbędne w tradycyjnej fotografii soczewki?
Odpowiedź na to pytanie być może znalazło grono naukowców z Uniwersytetu Connecticut. Zespół badaczy pod kierownictwem prof. Guoana Zhenga opracował eliminujący soczewki system obrazowania nazwany Multiscale Aperture Synthesis Imager (MASI), który pozwala na uzyskanie sub-mikronowej rozdzielczości w dużym polu widzenia, bez konieczności stosowania tradycyjnych obiektywów.
Jak wiadomo, tradycyjne systemy optyczne ograniczane są przez zjawisko dyfrakcji światła – fundamentalną barierę, opisaną jeszcze w XIX w. przez Ernsta Abbe, która uniemożliwia uzyskanie ostrego obrazu detali mniejszych niż około połowa długości fali światła. W praktyce oznacza to, że nawet najlepsze mikroskopy czy aparaty fotograficzne napotykają granicę swoich możliwości. Technologia MASI obchodzi ten problem dzięki połączeniu sensorów optycznych i algorytmów obliczeniowych.
Algorytm powiększenia
System składa się z rozproszonej macierzy kodowanych czujników, umieszczonych w płaszczyźnie dyfrakcyjnej. Każdy czujnik rejestruje wzorce dyfrakcyjne światła rozproszonego przez obiekt, zawierające informacje o amplitudzie i fazie tegoż światła. Następnie zaawansowane algorytmy rekonstruują pełne pole falowe, cyfrowo je rozszerzają i synchronizują fazę w sposób iteracyjny, tworząc spójny obraz o wysokiej rozdzielczości. Clou przełomu polega na symulacji wirtualnej apertury o znacznie większych rozmiarach niż fizyczna wielkość pojedynczego czujnika.
Pozwala to pokonać ograniczenia dyfrakcyjne bez potrzeby sztywnej synchronizacji sprzętowej. W przeprowadzonych eksperymentach system MASI zademonstrował zdolność do obrazowania detali na poziomie sub-mikronowym z odległości kilku centymetrów, np. śladów po uderzeniu iglicy na spłonce naboju – co ma bezpośrednie zastosowanie w kryminalistyce. System skaluje się liniowo: dodanie kolejnych czujników zwiększa możliwości bez komplikacji mechanicznych.
Soczewki „nie wszystek umrą”?
Potencjalne zastosowania takiego rozwiązania są szerokie: od diagnostyki medycznej (obrazowanie tkanek bez skomplikowanych mikroskopów), przez inspekcję przemysłową, po zdalne czujniki w trudnych warunkach. System jest kompaktowy, lekki i tańszy w produkcji niż tradycyjne soczewki. Prawdopodobnie, a nawet niemal na pewno nie wyeliminuje tradycyjnych aparatów z fotografii artystycznej i podobnych zastosowań – tam jednak, gdzie liczą się po prostu parametry, nie zaś walory estetyczne, MASI może się przydać.
To nie jedyne ostatnio postępy w obrazowaniu bezsoczewkowym – w ostatnich latach pojawiły się m.in. techniki oparte na metapowierzchniach (ang. metasurface) czy uczeniu maszynowym – technologia MASI może jednak wyróżnić się na tym tle pewnymi zaletami, jak np. skalowalność. W kontekście rynkowego, dostrzegalnego w skali makro pędu do miniaturyzacji urządzeń takie rozwiązania mogą mieć szansę na całkiem szybką adopcję – choć naturalnie analogowe soczewki i obiektywy też nie pozostaną bez swoich zwolenników.
Pełen opis swoich rozwiązań badacze z Uniwersytetu Connecticut opublikowali w czasopiśmie Nature.