تکنولوژی جدید تصویربرداری محدودیت‌های نوری را می‌شکند+فیلم

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

به گزارش phys.org، اخیرا مطالعه‌ای توسط گوآن ژنگ، استاد مهندسی پزشکی و مدیر مرکز نوآوری مهندسی پزشکی و بیوانجینیرینگ دانشگاه کنتیکت و تیم تحقیقاتی او در دانشکده مهندسی UConn در مجله Nature Communications منتشر شده است که راه‌حلی نوآورانه برای این مشکل ارائه می‌دهد و می‌تواند تصویربرداری نوری را در علوم پزشکی و صنعت متحول کند.

ژنگ در توضیح این دستاورد گفت: مشکل فنی اصلی تصویربرداری ترکیبی روزآمد است. روشی که به تلسکوپ افق رویداد امکان تصویربرداری از یک سیاهچاله را داد. این روش با ترکیب همزمان داده‌های چند حسگر جداگانه شبیه‌سازی یک دهانه تصویربرداری بزرگ‌تر را ممکن می‌سازد. در رادیو اخترشناسی طول موج‌های رادیویی بلندتر امکان همگام‌سازی دقیق بین حسگر‌ها را فراهم می‌کنند. اما در طول موج‌های نوری مقیاس مورد نظر چندین مرتبه کوچکتر است و برآورده کردن نیاز‌های همگام‌سازی تقریباً غیرممکن است.

چگونه MASI محدودیت‌های نوری را می‌شکند

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 (کاری 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.

ژنگ توضیح می‌دهد: 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 روش حذف نیاز به تنظیمات سخت‌افزاری پیچیده interferometry است که پیش از این مانع کاربرد عملی سیستم‌های تصویربرداری ترکیبی نوری شده بود.

رویکرد منحصر‌به‌فرد MASI

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 که نحوه گسترش نور پس از برخورد با یک شیء را نشان می‌دهد را ثبت می‌کند. این اندازه‌گیری‌ها شامل اطلاعات دامنه و فاز هستند که توسط الگوریتم‌های محاسباتی بازیابی می‌شوند.

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

نتیجه چیست؟ یک دهانه ترکیبی مجازی بزرگ‌تر از هر حسگر منفرد، که وضوح زیر میکرونی و پوشش میدان دید گسترده بدون نیاز به لنز را فراهم می‌کند.

لنز‌های سنتی چه در میکروسکوپ، دوربین یا تلسکوپ طراحان را با محدودیت‌هایی مواجه می‌کنند: برای دیدن جزئیات ریزتر لنز‌ها باید نزدیک‌تر به شیء قرار گیرند، که فاصله کاری را محدود می‌کند و برخی کاربرد‌ها را غیرعملی یا تهاجمی می‌سازد.

MASI بدون لنز عمل می‌کند و الگو‌های پراش را از فاصله چند سانتی‌متری ثبت می‌کند و تصاویر را با وضوح زیر میکرون بازسازی می‌کند. این امکان شبیه آن است که بتوان ریزه‌کاری‌های یک تار مو را از آن سوی میز مشاهده کرد بدون آنکه نیاز باشد آن را نزدیک چشم بیاوریم.

ژنگ گفت: کاربرد‌های MASI گستره وسیعی دارد؛ از علوم پزشکی و تشخیص‌های آزمایشگاهی تا بازرسی صنعتی و سنجش از دور.

وی افزود:، اما هیجان‌انگیزترین ویژگی، قابلیت مقیاس‌پذیری است برخلاف اپتیک سنتی که هرچه بزرگ‌تر می‌شود، پیچیدگی آن به شکل نمایی افزایش می‌یابد، سیستم ما 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 اندازه‌گیری از همگام‌سازی جدا می‌شود و لنز‌های حجیم با آرایه‌های حسگر کنترل‌شده توسط نرم‌افزار جایگزین می‌شوند تا تصویربرداری با وضوح بالا، انعطاف‌پذیر و مقیاس‌پذیر فراهم شود.

انتهای پیام/

Authors: صاحب‌خبران - جدیدترین و آخرین اخبار ایران و جهان - علمی-فناوری