As ferramentas de imagem mudaram drasticamente a forma como os cientistas estudam o mundo, desde o mapeamento de galáxias distantes com redes de radiotelescópios até a revelação das estruturas complexas dentro das células vivas. Apesar de décadas de progresso, permanece um grande obstáculo. Em comprimentos de onda ópticos, é extremamente difícil capturar imagens altamente detalhadas que cubram uma ampla área sem depender de lentes volumosas ou de alinhamento físico ultrapreciso.
Um estudo recém-publicado comunicações da natureza Fornece um possível caminho a seguir. O trabalho foi liderado por Guoan Zheng, professor de engenharia biomédica e diretor do Centro de Inovação Biomédica e Bioengenharia (CBBI) da UConn, e sua equipe de pesquisa na Escola de Engenharia da UConn. A sua descoberta introduz um novo método de imagem que poderá remodelar a forma como os sistemas ópticos são concebidos e utilizados na ciência, na medicina e na indústria.
Por que a imagem de abertura sintética fica aquém da óptica
“No centro deste avanço está um problema técnico de longa data”, disse Zheng. “A imagem de abertura sintética – o método pelo qual o Event Horizon Telescope é capaz de obter imagens de buracos negros – simula aberturas de imagem maiores, combinando de forma coerente medições de vários sensores independentes.”
Esta estratégia tem tido muito sucesso na radioastronomia porque os longos comprimentos de onda das ondas de rádio tornam possível sincronizar com precisão os sinais recolhidos por sensores amplamente distribuídos. No entanto, a luz visível tem um alcance muito menor. Nesses comprimentos de onda, alcançar a precisão física necessária para manter vários sensores em perfeita sincronia torna-se extremamente difícil, senão impossível, usando métodos tradicionais.
Métodos de sincronização MASI e software-first
O Multiscale Aperture Synthetic Imager (MASI) adota uma abordagem completamente diferente para esse desafio. O MASI não requer sensores ópticos para manter um alinhamento físico preciso, mas permite que cada sensor colete luz de forma independente. Após a conclusão da medição, algoritmos de computação avançados são usados para sincronizar os dados.
Zheng comparou a ideia a um grupo de fotógrafos capturando a mesma cena. Em vez de tirar fotografias tradicionais, cada fotógrafo registra informações brutas sobre o comportamento das ondas de luz. O software então combina essas medições individuais em uma única imagem de resolução extremamente alta.
Ao processar computacionalmente a sincronização de fase, o MASI evita a configuração estrita de interferência que há muito limita a utilidade dos sistemas ópticos de abertura sintética.
Como funciona a imagem sem lente no MASI
O MASI difere da imagem óptica tradicional de duas maneiras principais. Primeiro, elimina totalmente as lentes. Em vez de focar a luz através do vidro, o sistema utiliza uma série de sensores codificados colocados em diferentes locais dentro do plano de difração. Cada sensor registra um padrão de difração, que descreve como as ondas de luz viajam após interagirem com um objeto. Esses padrões contêm informações de amplitude e fase que podem ser posteriormente recuperadas usando técnicas computacionais.
Depois de reconstruir o campo de ondas complexo de cada sensor, o sistema expande digitalmente os dados e propaga matematicamente o campo de ondas de volta ao plano do objeto. Em seguida, o processo de sincronização de fase é calculado para ajustar a diferença de fase relativa entre os sensores. Esta otimização iterativa aumenta a coerência e concentra a energia na imagem reconstruída final.
Este ajuste baseado em software é a principal inovação. Ao substituir a precisão física pela otimização computacional, o MASI contorna o limite de difração e outras limitações que tradicionalmente governam os sistemas de imagem óptica.
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 muito perto do objeto, às vezes apenas alguns milímetros de distância. Distâncias de trabalho mais curtas podem tornar a geração de imagens difícil, impraticável e até mesmo invasiva em algumas aplicações.
O MASI elimina esta limitação ao capturar padrões de difração em distâncias medidas em centímetros. O sistema ainda pode reconstruir imagens com detalhes submicrométricos. Zheng compara isso a examinar as pequenas mechas de cabelo humano sobre uma mesa, em vez de segurá-las a centímetros do olho.
Imagens escalonáveis na ciência e na indústria
“As aplicações potenciais do MASI abrangem muitos campos, desde ciência forense e diagnóstico médico até detecção industrial e sensoriamento remoto”, disse Zheng, “mas o 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 não imaginamos.”
Os imageadores sintéticos de abertura multiescala apontam o caminho para novas direções em imagens ópticas. Ao dissociar a medição da sincronização e substituir a óptica pesada por conjuntos de sensores controlados por software, o MASI demonstra como a computação pode superar as limitações impostas pela óptica física. O resultado é uma estrutura de imagem flexível, escalável e capaz de fornecer alta resolução de maneiras anteriormente inatingíveis.
