Esta nova tecnologia de imagem supera as regras da óptica

Resolução e amplitude de campo

As câmeras transformaram nossa visão de mundo, desde o mapeamento de galáxias distantes com redes de radiotelescópios até a revelação de estruturas complexas dentro das células vivas.

Mas o que gostamos mesmo é de gerar imagens usando luz visível, e aqui persiste uma dificuldade histórica: Nos comprimentos de onda ópticos, capturar imagens que sejam ao mesmo tempo altamente detalhadas e que cubram uma ampla área tipicamente exige lentes volumosas ou alinhamentos físicos ultraprecisos.

Ruihai Wang e colegas da Universidade de Connecticut, nos EUA, resolveram desafiar as próprias regras da óptica para superar esse desafio.

Wang criou um sistema, que ele batizou de Imageador de Síntese de Abertura Multiescala, ou MASI (Multiscale Aperture Synthesis Imager), que permite que cada sensor capture a luz de modo independente, superando a necessidade atual de garantir que os sensores ópticos permaneçam sempre no mesmo alinhamento físico. Em seguida, são utilizados algoritmos computacionais avançados para sincronizar os dados após a conclusão da captura da imagem.

É como se um grupo de fotógrafos capturassem a mesma cena, mas, em vez de câmeras tradicionais, usassem sensores que registram informações brutas sobre o comportamento das ondas de luz que chegam até a posição de cada um. Um software então combina essas medições separadas em uma única imagem de resolução muito alta.

Superando as limitações da óptica física

O sistema é diferente das técnicas de captura de imagens ópticas tradicionais de duas maneiras principais. Primeiro, ele elimina as lentes por completo. Em vez de focalizar a luz através de um vidro, o sistema utiliza uma matriz de sensores codificados, posicionados em diferentes locais dentro de um plano de difração. Cada sensor registra padrões de difração, que descrevem como as ondas de luz se propagam após interagirem com o objeto que se deseja fotografar. Esses padrões contêm informações de amplitude e fase que podem ser posteriormente recuperadas por meio de técnicas computacionais.

Segundo, após a reconstrução do campo de ondas de cada sensor, o sistema estende digitalmente os dados e propaga matematicamente os campos de ondas de volta ao plano do objeto. Um processo computacional de sincronização de fase ajusta então as diferenças de fase relativas entre os sensores. Essa otimização iterativa aumenta a coerência e concentra a energia na imagem reconstruída final.

Esse alinhamento baseado em software é a principal inovação, que desafia as técnicas baseadas nas regras convencionais da óptica: Ao substituir a precisão física pela otimização computacional, o sistema de imagem contorna o limite de difração e outras limitações que tradicionalmente regem os sistemas de imageamento no espectro visível.

O resultado é uma abertura sintética virtual muito maior do que qualquer sensor individual, o que possibilita a obtenção de imagens com resolução submicrométrica, ao mesmo tempo que cobre um amplo campo de visão, tudo sem o uso de lentes. É uma versão óptica da técnica de radioastronomia que permite fotografar buracos negros, que permite construir telescópios virtuais do tamanho da Terra e até maiores, quando a tecnologia for levada ao espaço.

Computação em lugar da física

As lentes tradicionais usadas em microscópios, telescópios e câmeras em geral obrigam os engenheiros a fazer compensações: Obter maior resolução geralmente significa posicionar a lente extremamente perto do objeto, às vezes a apenas milímetros de distância. E essa curta distância pode tornar a obtenção de imagens difícil, impraticável ou até mesmo invasiva em certas aplicações.

O sistema MASI supera essa limitação ao capturar padrões de difração a distâncias na casa dos centímetros. O imageador ainda consegue reconstruir imagens com detalhes submicrométricos. Ao separar a medição da sincronização e substituir componentes ópticos pesados por conjuntos de sensores controlados por software, ele demonstra como a computação pode superar as limitações impostas pela óptica física.

“As aplicações potenciais do MASI abrangem múltiplos campos, desde ciência forense e diagnósticos médicos até inspeção industrial e sensoriamento remoto,” disse o professor Guoan Zheng, “Mas o mais empolgante é a escalabilidade – ao contrário da óptica tradicional, que se torna exponencialmente mais complexa à medida que cresce, nosso sistema escala linearmente, possibilitando potencialmente grandes conjuntos para aplicações que ainda nem imaginamos.”