IT之家 12 月 24 日消息,康涅狄格大學(xué)研發(fā)的一項(xiàng)全新成像技術(shù)有望改寫光學(xué)成像的規(guī)則,無需依賴厚重的透鏡或繁瑣的物理校準(zhǔn),就能實(shí)現(xiàn)超高分辨率成像。
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據(jù)IT之家了解,該系統(tǒng)借助計(jì)算技術(shù)、傳感器陣列和精妙算法,突破了數(shù)十年來限制光學(xué)發(fā)展的瓶頸。
這項(xiàng)突破源自鄭國安(Guoan Zheng,音譯)教授的實(shí)驗(yàn)室,該研究團(tuán)隊(duì)的靈感來自一個看似不相關(guān)的對象 —— 事件視界望遠(yuǎn)鏡(Event Horizon Telescope)。這個全球射電望遠(yuǎn)鏡陣列曾拍攝到人類首張黑洞照片,其通過整合多臺望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù),模擬出一臺口徑大得多的虛擬望遠(yuǎn)鏡。
但長期以來,將這一思路應(yīng)用于可見光領(lǐng)域似乎并不現(xiàn)實(shí)。可見光的波長遠(yuǎn)短于無線電波,傳感器之間哪怕出現(xiàn)極其微小的校準(zhǔn)偏差,都會嚴(yán)重破壞成像質(zhì)量。此前,要實(shí)現(xiàn)光學(xué)傳感器的納米級精度同步,幾乎是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。
為此,鄭國安團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑,徹底繞開了物理同步的技術(shù)路徑。這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)物就是多尺度孔徑綜合成像儀(MASI),該設(shè)備不再要求傳感器保持完全同步運(yùn)行,而是讓每一個傳感器獨(dú)立測量光線,再通過計(jì)算算法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期同步處理,最終重建出一幅清晰連貫的圖像。
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鄭國安表示:“這項(xiàng)突破的核心,是攻克了一個長期存在的技術(shù)難題。事件視界望遠(yuǎn)鏡正是憑借綜合孔徑成像技術(shù)拍攝到黑洞,該技術(shù)通過將多個分離傳感器的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行相干合成,模擬出一個口徑更大的成像孔徑。”
MASI 用一組排布在衍射平面不同位置的編碼傳感器取代了傳統(tǒng)透鏡。每一個傳感器都會捕捉原始衍射圖案,這些圖案包含了光線與被測物體作用后的亮度和相位信息。
研究人員會對這些測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,還原每個傳感器捕捉到的復(fù)雜波場;隨后對波場數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字填充,并通過數(shù)值計(jì)算反向推演至物體平面;再利用一種計(jì)算相位同步方法,對數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代校準(zhǔn),最大化合成圖像的相干性。
這種由軟件驅(qū)動的同步方式,摒棄了長期阻礙實(shí)用型光學(xué)綜合孔徑系統(tǒng)發(fā)展的剛性干涉測量裝置,最終構(gòu)建出一個口徑遠(yuǎn)超單個傳感器的虛擬孔徑。
這項(xiàng)技術(shù)的成果令人矚目。MASI 無需透鏡,僅在數(shù)厘米的工作距離內(nèi),就能在大視場范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)亞微米級分辨率成像。而傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)備往往需要在分辨率、視場范圍和物距之間做出取舍。
研究團(tuán)隊(duì)通過對子彈殼的成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的性能:設(shè)備清晰捕捉到了撞針印痕等微米級細(xì)節(jié)。這類痕跡可用于將彈藥與特定槍支進(jìn)行匹配,凸顯出該技術(shù)在法醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
鄭國安指出:“MASI 的潛在應(yīng)用覆蓋多個領(lǐng)域,包括法醫(yī)學(xué)、醫(yī)療診斷、工業(yè)檢測和遙感技術(shù)等。但最令人振奮的是它的可擴(kuò)展性。”
傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜度會隨規(guī)模擴(kuò)大呈指數(shù)級增長,而 MASI 的復(fù)雜度僅呈線性增長,增加傳感器數(shù)量即可提升性能,且不會產(chǎn)生難以解決的校準(zhǔn)難題。
除成像領(lǐng)域外,這項(xiàng)研究還印證了工程學(xué)領(lǐng)域的一個大趨勢:借助計(jì)算技術(shù)突破曾被視為不可逾越的物理限制。
這項(xiàng)發(fā)表于《自然?通訊》的研究指出,通過將測量過程與同步過程解耦,MASI 開辟了一個全新的技術(shù)領(lǐng)域 —— 在這個領(lǐng)域中,定義光學(xué)系統(tǒng)成像能力的核心要素,不再是鏡片,而是軟件。
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