فناوری انقلابی MASI: تصویربرداری نوری با وضوح زیر میکرون و میدان دید گسترده بدون لنز

تکنولوژی تصویربرداری نوری همواره با یک چالش اساسی روبرو بوده است: دستیابی به وضوح بالا و میدان دید گسترده به طور همزمان، بدون اتکا به لنزهای حجیم یا نیاز به تنظیمات فیزیکی فوق‌العاده دقیق. اکنون، محققان دانشگاه کنتیکت با معرفی «تصویربردار ترکیبی چندمقیاسی» (MASI)، راهکاری محاسباتی برای غلبه بر این محدودیت‌های اپتیکی سنتی ارائه کرده‌اند که می‌تواند آینده علوم پزشکی و بازرسی‌های صنعتی را دگرگون سازد.

چالش دیرینه در تصویربرداری نوری

تکنولوژی تصویربرداری در طول دهه‌ها جهان را متحول کرده است؛ از نقشه‌برداری کهکشان‌های دور با تلسکوپ‌های رادیویی تا آشکارسازی جزئیات میکروسکوپی در سلول‌های زنده. با این حال، ثبت تصاویر با وضوح بالا و میدان دید گسترده در طول موج‌های نوری بدون استفاده از لنز‌های حجیم یا نیاز به تنظیم دقیق دستگاه‌ها، یک مانع بنیادی بوده است.

گوآن ژنگ، استاد مهندسی پزشکی و مدیر مرکز نوآوری مهندسی پزشکی دانشگاه کنتیکت، مشکل اصلی را در «تصویربرداری ترکیبی روزآمد» می‌داند. این روش که به تلسکوپ افق رویداد امکان تصویربرداری از سیاهچاله را داد، با ترکیب همزمان داده‌های چند حسگر، دهانه تصویربرداری بزرگ‌تری را شبیه‌سازی می‌کند. در رادیو اخترشناسی، طول موج‌های بلندتر رادیویی امکان همگام‌سازی دقیق را فراهم می‌کنند، اما در طول موج‌های نوری، مقیاس مورد نظر چندین مرتبه کوچک‌تر است و برآورده کردن نیاز‌های همگام‌سازی فیزیکی، کاری تقریباً غیرممکن است.

MASI: عبور از محدودیت‌های اپتیکی با قدرت محاسبات

تصویربردار ترکیبی چندمقیاسی (MASI) این چالش را به شکلی نوین حل می‌کند. به جای آنکه حسگر‌های نوری متعدد به صورت فیزیکی کاملا همگام عمل کنند (که نیازمند دقت نانومتری است)، MASI اجازه می‌دهد هر حسگر به‌طور مستقل نور را اندازه‌گیری کند و سپس با استفاده از الگوریتم‌های محاسباتی، داده‌ها همگام‌سازی می‌شوند.

این شبیه آن است که چند عکاس از یک صحنه عکس بگیرند، نه به شکل عکس معمولی بلکه به‌عنوان اندازه‌گیری‌های خام خصوصیات موج نوری و سپس نرم‌افزار این ثبت‌های مستقل را به یک تصویر با وضوح فوق‌العاده ترکیب کند.

این رویکرد نیاز به تنظیمات سخت‌افزاری پیچیده «اینترفِرومتری» را حذف می‌کند که پیش از این مانع کاربرد عملی سیستم‌های تصویربرداری ترکیبی نوری شده بود.

مکانیسم عملکرد و تفاوت‌های کلیدی

MASI از دو جنبه اساسی با تصویربرداری نوری سنتی متفاوت است:

• به جای استفاده از لنز برای متمرکز کردن نور روی حسگر، MASI از آرایه‌ای از حسگر‌های کدگذاری‌شده در بخش‌های مختلف صفحه پراش استفاده می‌کند.
• هر حسگر الگو‌های پراش نور را ثبت می‌کند که شامل اطلاعات دامنه و فاز هستند. این اطلاعات توسط الگوریتم‌های محاسباتی بازیابی می‌شوند.

پس از بازیابی میدان موج پیچیده هر حسگر، سیستم داده‌ها را به‌صورت دیجیتال بازسازی می‌کند. با استفاده از روش «همگام‌سازی فاز محاسباتی»، جابه‌جایی‌های فاز نسبی هر حسگر تنظیم می‌شود تا بیشینه هماهنگی در بازسازی نهایی حاصل شود. این نوآوری کلیدی، با بهینه‌سازی میدان‌های موج ترکیبی در نرم‌افزار به جای تنظیم فیزیکی حسگر‌ها، محدودیت پراش و سایر محدودیت‌های اپتیکی سنتی را از میان برمی‌دارد.

نتیجه: وضوح زیر میکرونی بدون لنز

نتیجه این فرایند، ایجاد یک دهانه ترکیبی مجازی بزرگ‌تر از هر حسگر منفرد است که وضوح زیر میکرونی و پوشش میدان دید گسترده را بدون نیاز به لنز فراهم می‌کند. لنز‌های سنتی طراحان را با محدودیت‌هایی مواجه می‌کنند؛ برای دیدن جزئیات ریزتر، لنز باید نزدیک‌تر به شیء قرار گیرد که فاصله کاری را محدود می‌کند. در مقابل، MASI بدون لنز عمل کرده و الگو‌های پراش را از فاصله چند سانتی‌متری ثبت می‌کند و تصاویر را با وضوح زیر میکرون بازسازی می‌کند.

کاربردها و قابلیت مقیاس‌پذیری

کاربرد‌های MASI گستره وسیعی دارد؛ از علوم پزشکی و تشخیص‌های آزمایشگاهی تا بازرسی صنعتی و سنجش از دور. هیجان‌انگیزترین ویژگی این سیستم، قابلیت مقیاس‌پذیری آن است. برخلاف اپتیک سنتی که با بزرگ‌تر شدن اندازه، پیچیدگی آن به شکل نمایی افزایش می‌یابد، سیستم MASI به‌طور خطی مقیاس‌پذیر است و امکان ایجاد آرایه‌های بزرگ برای کاربرد‌هایی که هنوز تصور نکرده‌ایم را فراهم می‌کند.

تصویربردار ترکیبی چندمقیاسی (MASI) یک تحول بنیادین در تصویربرداری نوری محسوب می‌شود؛ جایی که محاسبات، محدودیت‌های فیزیکی اپتیک را از میان برمی‌دارد و لنز‌های حجیم با آرایه‌های حسگر کنترل‌شده توسط نرم‌افزار جایگزین می‌شوند تا تصویربرداری با وضوح بالا، انعطاف‌پذیر و مقیاس‌پذیر فراهم شود.