As ferramentas de imagem remodelaram dramaticamente a forma como os cientistas estudam o mundo, desde mapear galáxias distantes com redes de radiotelescópios até revelar as estruturas complexas dentro das células vivas. Mesmo depois de décadas de progresso, permanece um grande obstáculo. Em comprimentos de onda ópticos, é extremamente difícil capturar imagens altamente detalhadas e que cubram uma ampla área sem depender de lentes enormes ou de alinhamento físico ultrapreciso.
Um estudo publicado recentemente Comunicação da natureza oferece um possível caminho a seguir. O trabalho foi liderado por Guan Zheng, professor de engenharia biomédica e diretor do Centro UConn para Inovação Biomédica e Bioengenharia (CBBI), juntamente com sua equipe de pesquisa da Faculdade de Engenharia da Universidade de Connecticut. Suas descobertas introduzem uma nova abordagem de imagem que pode remodelar a forma como os sistemas ópticos são projetados e usados na ciência, na medicina e na indústria.
Por que a abertura sintética é pequena na óptica de imagem?
“No centro deste progresso está um problema técnico de longa data”, disse Zheng. “A imagem de abertura sintética – o método que permite ao Event Horizon Telescope obter imagens de um buraco negro – funciona combinando sinergicamente medições de vários sensores discretos para simular uma abertura de imagem muito maior.”
Esta técnica tem tido muito sucesso na radioastronomia porque as ondas de rádio têm comprimentos de onda longos, tornando possível sincronizar com precisão os sinais coletados por sensores amplamente espaçados. A luz visível, entretanto, opera em uma escala muito menor. Neste comprimento de onda, a precisão física necessária para sincronizar perfeitamente vários sensores é extraordinariamente difícil, senão impossível, de ser alcançada usando métodos convencionais.
MASI e um método de sincronização que prioriza o software
O Multiscale Aperture Synthesis Imager (MASI) adota uma abordagem fundamentalmente diferente para esse desafio. Em vez de exigir que os sensores ópticos estejam em alinhamento físico exato, o MASI permite que cada sensor colete luz de forma independente. Algoritmos computacionais avançados são usados para sincronizar os dados após a conclusão da medição.
Zheng compara o conceito a um grupo de fotógrafos capturando a mesma cena. Em vez de tirar fotos tradicionais, cada fotógrafo registra dados brutos sobre como as ondas de luz se comportam. O software então combina essas medições separadas em uma única imagem de resolução extremamente alta.
Ao lidar computacionalmente com a sincronização de fase, o MASI evita as configurações interferométricas rígidas que há muito limitam a praticidade dos sistemas ópticos de abertura sintética.
Como funciona a imagem sem lente no MASI
O MASI se afasta da imagem óptica tradicional de duas maneiras principais. Primeiro, remove completamente a lente. Em vez de focar a luz através do vidro, o sistema utiliza uma série de sensores codificados colocados em diferentes locais dentro de um plano de difração. Cada sensor registra o padrão de difração, que descreve como as ondas de luz se espalham após interagirem com um objeto. Esses padrões contêm informações de amplitude e fase que podem então ser recuperadas usando técnicas computacionais.
Após a reconstrução do campo de ondas complexo de cada sensor, o sistema expande digitalmente os dados e propaga matematicamente os campos de ondas para o plano do objeto. Um processo computacional de sincronização de fase ajusta então as diferenças relativas de fase entre os sensores. Esta otimização iterativa aumenta a coerência e concentra energia na imagem reconstruída final.
Este alinhamento baseado em software é a inovação central. Ao substituir a precisão física pela otimização computacional, o MASI evita o limite de dispersão e outras limitações que tradicionalmente governam os sistemas de imagem óptica.
Uma 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, 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 significa colocar a lente muito perto do objeto, às vezes a apenas alguns milímetros de distância. Essa curta distância de trabalho pode tornar a geração de imagens difícil, impraticável ou até mesmo invasiva em determinadas aplicações.
O MASI supera essa limitação capturando padrões de dispersão a partir de distâncias medidas em centímetros. O sistema ainda pode reconstruir imagens com detalhes submicrométricos. Zheng compara isso a examinar um fio de cabelo humano sobre uma mesa, em vez de segurá-lo a poucos centímetros do olho.
Imagens escalonáveis na ciência e na indústria
“As aplicações potenciais do MASI abrangem vários campos, desde ciência forense e diagnóstico médico até inspeção industrial e sensoriamento remoto”, disse Zheng, “mas o aspecto mais interessante é a escalabilidade – ao contrário da óptica tradicional que se torna exponencialmente mais complexa com o crescimento, nosso sistema é dimensionado linearmente, potencialmente permitindo-nos desenvolver aplicações para matrizes ainda maiores.”
O gerador de imagens de síntese de abertura multiescala aponta para uma nova direção para imagens ópticas. Ao separar a medição da sincronização e substituir componentes ópticos volumosos por conjuntos de sensores controlados por software, o MASI mostra como a computação pode superar os limites impostos pela óptica física. O resultado é uma estrutura de imagem flexível, escalável e capaz de fornecer alta resolução de formas antes inacessíveis.
