این دستاورد که در آزمایشگاه پروفسور گوآن ژنگ توسعه یافته، بر محاسبات پیشرفته، آرایههای حسگری و الگوریتمهای ریاضی متکی است و بسیاری از محدودیتهایی را کنار میزند که دههها مسیر پیشرفت اپتیک کلاسیک را تعیین کرده بودند. در این رویکرد جدید، دیگر نیازی به لنزهای شیشهای بزرگ یا همترازیهای فیزیکی بسیار دقیق وجود ندارد و بخش عمده بار سیستم تصویربرداری به نرمافزار منتقل میشود.
به گفته پژوهشگران، الهام اصلی این پروژه از تلسکوپ افق رویداد گرفته شده است؛ سامانهای متشکل از چندین تلسکوپ رادیویی در سراسر جهان که با ترکیب دادههای خود توانست نخستین تصویر مستقیم از یک سیاهچاله را ثبت کند. در آن پروژه، دادههای چند ابزار جدا از هم بهگونهای همگام شد که گویی یک تلسکوپ بسیار بزرگ در حال مشاهده است. اما انتقال چنین ایدهای به دنیای نور مرئی همواره چالشبرانگیز بوده است.
طول موج نور مرئی بسیار کوتاهتر از امواج رادیویی است و همین موضوع باعث میشود که کوچکترین ناهمترازی میان حسگرها، کیفیت تصویر نهایی را بهشدت کاهش دهد. تا پیش از این، همگامسازی حسگرهای نوری با دقتی در حد نانومتر عملاً غیرممکن تلقی میشد و همین مسئله مانع از پیادهسازی عملی سامانههای نوری با دهانه مصنوعی شده بود.
تیم پژوهشی ژنگ برای حل این مشکل مسیر متفاوتی را انتخاب کرد. آنها بهجای تلاش برای همگامسازی فیزیکی حسگرها، اصل همگامسازی را بهطور کامل به حوزه محاسبات منتقل کردند. نتیجه این رویکرد، سامانهای با نام «تصویربردار سنتز دهانه چندمقیاسی» یا MASI است، که میتواند هر حسگر را به صورت مستقل به کار گیرد و سپس دادهها را در مرحله پردازش نرمافزاری به یک تصویر منسجم تبدیل کند.
در سامانه MASI، لنزهای سنتی با آرایهای از حسگرهای کدگذاریشده جایگزین میشوند، که در نقاط مختلف یک صفحه پراش قرار دارند. هر حسگر الگوهای پراش خامی را ثبت میکند که نهتنها اطلاعات شدت نور، بلکه اطلاعات فاز موج نوری را نیز در خود دارد. سپس این دادهها پردازش میشوند تا میدان موجی پیچیده هر حسگر بهدست آید.
پس از آن، میدانهای موجی به صورت دیجیتال گسترش داده میشوند و با استفاده از روشهای عددی به صفحه جسم بازمیگردند. یک الگوریتم محاسباتی همگامسازی فاز به طور تکراری دادهها را تنظیم میکند تا همدوسی در سراسر تصویر ترکیبی به بیشترین حد ممکن برسد. این فرایند نرمافزارمحور جایگزین چیدمانهای تداخلسنجی پیچیدهای میشود که سالها مانع توسعه سامانههای نوری پیشرفته بودهاند.
حاصل این فرایند ایجاد یک «دهانه مجازی» است، که اندازه آن بسیار بزرگتر از هر حسگر منفرد محسوب میشود. این دهانه مجازی به MASI امکان تصویربرداری با وضوح زیر میکرون و میدان دید گسترده را بدون استفاده از لنز و از فاصلههای کاری چند سانتیمتری میدهد. در مقایسه، سامانههای اپتیکی متعارف معمولاً ناچار هستند میان وضوح تصویر، میدان دید و فاصله از جسم نوعی مصالحه برقرار کنند.
a) سامانه MASI بهبود وضوح تصویر را با ثبت الگوهای پراش بدون لنز از یک منبع نقطهای توسط ۹ حسگر کدگذاریشده نشان میدهد. سامانه این تصاویر را ابتدا پردازش میکند تا میدانهای موجی پیچیده هر حسگر را به دست آورد، سپس آنها را پَد میکند و به صورت عددی به صفحه جسم بازمیگرداند. در ادامه، همگامسازی محاسباتی فاز انجام میشود و میدانهای موجی حسگرهای مختلف با تنظیم اختلاف فاز نسبی همراستا میشوند تا انرژی تصویر نهایی به بیشترین مقدار برسد، بدون آنکه نیازی به همپوشانی نواحی اندازهگیری میان حسگرها باشد. در پنل سمت راست، بلوکهای رنگی اختلاف فاز بازیابیشده هر حسگر را نشان میدهند که مقدار فاز با رنگها نمایش داده شده است. b) سامانه MASI امکان گسترش میدان دید را فراهم میکند. میدانهای موجی پَدشده هنگام انتشار از صفحه سطح کدگذاریشده به صفحه جسم، به طور طبیعی پخش میشوند و میدان دید را فراتر از ابعاد هر حسگر افزایش میدهند، به طوری که بازسازی تصویر حتی با وجود فاصلههای فیزیکی میان حسگرها نیز امکانپذیر است. c) نمونه اولیه MASI شامل یک آرایه فشرده از حسگرهای کدگذاریشده است. تصاویر درونقاب، خود حسگر تصویر کدگذاریشده و نحوه یکپارچهسازی آن را با یک کابل فلت انعطافپذیر سفارشی نشان میدهند. d) در پیکربندی حالت بازتابی، یک پرتو لیزر با زاویهای حدود ۴۵ درجه سطح جسم را روشن میکند تا نور بازتابشده برای تصویربرداری ثبت شود. پژوهشگران برای نمایش توانمندی این فناوری، از یک فشنگ تصویربرداری کردند و جزئیاتی در مقیاس میکرومتر، از جمله اثر سوزن ضربهزن را با دقت بالا ثبت کردند. چنین نشانههایی میتوانند برای ارتباط دادن مهمات به یک سلاح گرم مشخص به کار روند و همین موضوع کاربردهای بالقوه این فناوری را در حوزه پزشکی قانونی برجسته میسازد.
پروفسور ژنگ تأکید کرد که دامنه کاربردهای MASI بسیار گسترده است. از تشخیصهای پزشکی و تصویربرداری زیستی گرفته تا بازرسی صنعتی، کنترل کیفیت و حتی سنجش از دور، همگی میتوانند از سامانهای بهره ببرند که بدون پیچیدگیهای اپتیکی رایج، تصویربرداری با وضوح بالا بدون لنز ارائه میدهد. به گفته او، یکی از جذابترین ویژگیهای این فناوری، مقیاسپذیری آن است.
برخلاف سامانههای نوری سنتی که با افزایش اندازه به طور نمایی پیچیدهتر و پرهزینهتر میشوند، MASI به صورت خطی مقیاس مییابد. افزودن حسگرهای بیشتر، توان و دقت سامانه را افزایش میدهد، بدون آنکه نیاز به همترازیهای فیزیکی بسیار دشوار ایجاد شود. این ویژگی میتواند راه را برای توسعه سامانههای تصویربرداری بزرگتر و قدرتمندتر هموار کند.
فراتر از یک دستاورد فنی خاص، این پژوهش نشانهای از یک تغییر رویکرد گستردهتر در مهندسی به حساب میآید. در این رویکرد جدید، محاسبات پیشرفته جایگزین محدودیتهای فیزیکی میشود و نرمافزار نقش تعیینکنندهای در عملکرد سامانههای سختافزاری ایفا میکند. جداسازی فرایند اندازهگیری از همگامسازی، افق تازهای را پیش روی مهندسان میگشاید.
یافتههای این پژوهش در نشریه علمی Nature Communications منتشر شده است و توجه جامعه اپتیک و تصویربرداری را به خود جلب کرده است. اگر این فناوری تصویربرداری بدون لنز در مسیر تجاریسازی و کاربردهای عملی قرار گیرد، میتواند نسل جدیدی از دوربینها را معرفی کند که در آنها شیشه و لنز جای خود را به الگوریتمها و پردازش نرمافزاری میدهند و تعریف ما از «دیدن» در سامانههای نوری را دگرگون میسازند.
