Il laboratorio del professor Guoan Zheng ha sviluppato un nuovo sensore di immagine che raggiunge la super risoluzione ottica senza lenti. Ispirato al telescopio che ha catturato la prima immagine del buco nero, il dispositivo utilizza più sensori che lavorano in concerto, unendo computazionalmente le loro osservazioni per vedere i dettagli più fini.
Una nuova tecnologia di imaging ottico, il MASI, promette immagini ad altissima risoluzione senza lenti, superando i limiti dell’ottica tradizionale grazie alla sintesi d’apertura computazionale
Gli scienziati presentano il sensore che vede ciò che le lenti non possono.
La tecnologia di imaging ha trasformato il modo in cui osserviamo l’universo - dalla mappatura di galassie lontane con array di radiotelescopi allo svelare dettagli microscopici all’interno delle cellule viventi. Eppure, nonostante decenni di innovazione, è persistita una barriera fondamentale: catturare immagini ad alta risoluzione e ad ampio campo alle lunghezze d’onda ottiche senza lenti ingombranti o rigorosi vincoli di allineamento.
Un nuovo studio di Guoan Zheng (1), professore di ingegneria biomedica e direttore dello UConn Center for Biomedical and Bioengineering Innovation (CBBI), e del suo team di ricerca presso lo UConn College of Engineering, è stato pubblicato su
«Al centro di questa svolta c’è un problema tecnico di lunga data», spiega Zheng. «L’imaging a apertura sintetica - il metodo che ha permesso all’Event Horizon Telescope di ottenere l’immagine di un buco nero - funziona combinando in modo coerente le misurazioni provenienti da più sensori separati per simulare un’apertura di imaging molto più grande».
Nell’astronomia radio, ciò è possibile perché la lunghezza d’onda delle onde radio è molto maggiore, rendendo possibile una sincronizzazione precisa tra i sensori. Ma alle lunghezze d’onda della luce visibile, dove la scala di interesse è ordini di grandezza più piccola, i requisiti tradizionali di sincronizzazione diventano quasi impossibili da soddisfare fisicamente.
Il “Multiscale Aperture Synthesis Imager” (MASI) ribalta completamente questa sfida. Invece di costringere più sensori ottici a operare in perfetta sincronia fisica - un compito che richiederebbe una precisione a livello di nanometri - MASI permette a ciascun sensore di misurare la luce in modo indipendente e poi utilizza algoritmi computazionali per sincronizzare i dati in un secondo momento.
Zheng ha spiegato che è come avere più fotografi che catturano la stessa scena, non come foto ordinarie ma come misurazioni grezze delle proprietà delle onde luminose, lasciando poi al software il compito di unire queste acquisizioni indipendenti in un’unica immagine a ultra‑alta risoluzione.
Questo schema di sincronizzazione di fase computazionale elimina la necessità di configurazioni interferometriche rigide che finora hanno impedito l’impiego pratico dei sistemi ottici a apertura sintetica.
MASI si discosta dall’imaging ottico convenzionale in due modi trasformativi. Invece di fare affidamento su lenti per mettere a fuoco la luce su un sensore, MASI utilizza una serie di sensori codificati posizionati in diverse parti di un piano di diffrazione. Ognuno cattura schemi di diffrazione grezzi - essenzialmente il modo in cui le onde luminose si propagano dopo aver interagito con un oggetto. Queste misurazioni di diffrazione contengono sia informazioni di ampiezza sia di fase, che vengono recuperate tramite algoritmi computazionali.
Una volta recuperato il campo d’onda complesso di ciascun sensore, il sistema estende digitalmente e propaga numericamente i campi d’onda fino al piano dell’oggetto. Un metodo computazionale di sincronizzazione di fase regola quindi iterativamente gli offset di fase relativi dei dati di ciascun sensore per massimizzare la coerenza complessiva e l’energia nella ricostruzione unificata.
Questo passaggio è l’innovazione chiave: ottimizzando i campi d’onda combinati tramite software invece di allineare fisicamente i sensori, MASI supera il limite di diffrazione e altri vincoli imposti dall’ottica tradizionale.
Il risultato? Un’apertura sintetica virtuale più grande di qualsiasi singolo sensore, che consente una risoluzione sub‑micrometrica e una copertura ad ampio campo senza lenti.
Le lenti convenzionali, che si tratti di microscopi, fotocamere o telescopi, costringono i progettisti a compromessi. Per risolvere dettagli più piccoli, le lenti devono essere più vicine all’oggetto, spesso entro pochi millimetri, limitando la distanza di lavoro e rendendo alcuni compiti di imaging impraticabili o invasivi.
L’approccio MASI elimina del tutto le lenti, catturando schemi di diffrazione da diversi centimetri di distanza e ricostruendo immagini con una risoluzione fino a livelli sub‑micrometrici. È simile alla possibilità di esaminare le sottili creste di un capello umano dall’altro lato di una scrivania invece di doverlo avvicinare a pochi centimetri dall’occhio.
«Le potenziali applicazioni di MASI coprono molti campi, dalla scienza forense e la diagnostica medica all’ispezione industriale e al telerilevamento», ha detto Zheng. «Ma ciò che è più entusiasmante è la scalabilità: a differenza dell’ottica tradizionale, che diventa esponenzialmente più complessa man mano che cresce, il nostro sistema scala linearmente, potenzialmente consentendo grandi array per applicazioni che non abbiamo nemmeno ancora immaginato».
Il “Multiscale Aperture Synthesis Imager” rappresenta un cambiamento di paradigma nell’imaging ottico: uno in cui l’elaborazione computazionale supera le limitazioni fondamentali imposte dall’ottica fisica. Separando la misurazione dalla sincronizzazione e sostituendo le lenti ingombranti con array di sensori controllati via software, MASI apre un nuovo dominio di imaging ad alta risoluzione, flessibile e scalabile.
Riferimenti:
(1) Guoan Zheng
(2) Multiscale aperture synthesis imager
Descrizione foto: Il laboratorio del professor Guoan Zheng ha sviluppato un nuovo sensore di immagine che raggiunge la super risoluzione ottica senza lenti. Ispirato al telescopio che ha catturato la prima immagine del buco nero, il dispositivo utilizza più sensori che lavorano in concerto, unendo computazionalmente le loro osservazioni per vedere i dettagli più fini. - Credit: Guoan Zheng.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New Image Sensor Breaks Optical Limits
