Revolucionaria tecnología de imagen sin lentes logra resolución submicrón

La tecnología de imagen ha transformado la forma en que los científicos estudian el mundo, desde la exploración de galaxias distantes hasta la observación de estructuras complejas en células vivas. Sin embargo, un desafío persistente ha sido la dificultad de capturar imágenes altamente detalladas que cubran un amplio campo sin depender de lentes voluminosos o de una alineación física precisa.

Un estudio reciente publicado en Nature Communications, liderado por Guoan Zheng, profesor de ingeniería biomédica y director del Centro de Innovación Biomédica y Bioingeniería de la Universidad de Connecticut, presenta un enfoque innovador que podría transformar el diseño y uso de sistemas ópticos en ciencia, medicina e industria.

Un nuevo enfoque para la imagen sintética

Según Zheng, "el corazón de este avance es un problema técnico de larga data. La imagen sintética, que permitió al Telescopio del Horizonte de Eventos capturar una imagen de un agujero negro, funciona combinando coherentemente mediciones de múltiples sensores separados para simular una apertura de imagen mucho más grande". Este método ha sido exitoso en la astronomía de radio, donde las ondas de radio tienen longitudes de onda largas, facilitando la sincronización precisa de señales recolectadas por sensores ampliamente separados. Sin embargo, la luz visible opera a una escala mucho más pequeña, lo que hace que la precisión física necesaria para mantener múltiples sensores perfectamente sincronizados sea extremadamente difícil de lograr.

MASI: un enfoque basado en software

El Multiscale Aperture Synthesis Imager (MASI) aborda este desafío de manera diferente. En lugar de exigir que los sensores ópticos permanezcan en una alineación física exacta, MASI permite que cada sensor recoja luz de manera independiente. Luego, se utilizan algoritmos computacionales avanzados para sincronizar los datos una vez que se completan las mediciones.

Zheng compara el concepto con un grupo de fotógrafos que capturan la misma escena. En lugar de tomar fotografías tradicionales, cada fotógrafo registra información cruda sobre cómo se comportan las ondas de luz. Posteriormente, un software combina estas mediciones separadas en una única imagen de alta resolución.

Al manejar la sincronización de fase computacionalmente, MASI evita los rígidos montajes interferométricos que han limitado la practicidad de los sistemas de apertura sintética óptica.

Funcionamiento de la imagen sin lentes en MASI

MASI se aparta de la imagen óptica tradicional en dos aspectos principales. Primero, elimina completamente las lentes. En lugar de enfocar la luz a través de vidrio, el sistema utiliza una serie de sensores codificados colocados en diferentes ubicaciones dentro de un plano de difracción. Cada sensor registra patrones de difracción, que describen cómo se propagan las ondas de luz después de interactuar con un objeto. Estos patrones contienen información tanto de amplitud como de fase que puede recuperarse posteriormente mediante técnicas computacionales.

Una vez que se reconstruye el campo de ondas complejo de cada sensor, el sistema extiende digitalmente los datos y propaga matemáticamente los campos de ondas de regreso al plano del objeto. Un proceso de sincronización de fase computacional ajusta las diferencias de fase relativas entre los sensores, aumentando la coherencia y concentrando la energía en la imagen final reconstruida.

Esta alineación basada en software es la innovación central. Al reemplazar la precisión física por optimización computacional, MASI elude el límite de difracción y otras restricciones que tradicionalmente han gobernado los sistemas de imagen óptica.

Una apertura virtual con resolución submicrón

El resultado es una apertura sintética virtual que es mucho más grande que cualquier sensor individual. Esto permite imágenes con resolución submicrón mientras se cubre un amplio campo de visión, todo sin el uso de lentes.

Las lentes tradicionales utilizadas en microscopios, cámaras y telescopios obligan a los ingenieros a hacer compromisos. Lograr una mayor resolución generalmente significa colocar la lente extremadamente cerca del objeto, a veces a solo milímetros de distancia. Esa corta distancia de trabajo puede dificultar la obtención de imágenes, volviéndola impráctica o incluso invasiva en ciertas aplicaciones.

MASI elimina esa limitación al capturar patrones de difracción desde distancias medidas en centímetros, pudiendo reconstruir imágenes con detalles submicrón. Zheng compara esto con examinar las pequeñas crestas de un cabello humano desde el otro lado de un escritorio, en lugar de sostenerlo a solo unos centímetros de los ojos.

Aplicaciones escalables en ciencia e industria

"Las aplicaciones potenciales para MASI abarcan múltiples campos, desde la ciencia forense y el diagnóstico médico hasta la inspección industrial y la teledetección", afirmó Zheng. "Pero lo más emocionante es la escalabilidad: a diferencia de la óptica tradicional que se vuelve exponencialmente más compleja a medida que crece, nuestro sistema escala de manera lineal, lo que potencialmente permite grandes arreglos para aplicaciones que ni siquiera hemos imaginado aún".

El Multiscale Aperture Synthesis Imager señala una nueva dirección para la imagen óptica. Al separar la medición de la sincronización y reemplazar componentes ópticos pesados por arreglos de sensores impulsados por software, MASI demuestra cómo la computación puede superar los límites impuestos por la óptica física. El resultado es un marco de imagen que es flexible, escalable y capaz de ofrecer alta resolución de maneras que antes eran inalcanzables.

Temas