Las herramientas de obtención de imágenes han remodelado drásticamente la forma en que los científicos estudian el mundo, desde trazar galaxias distantes con redes de radiotelescopios hasta revelar las estructuras complejas dentro de las células vivas. Incluso después de décadas de progreso, persiste un obstáculo importante. En longitudes de onda ópticas, es extremadamente difícil capturar imágenes muy detalladas y que cubran un área amplia sin depender de lentes enormes o una alineación física ultraprecisa.
Un estudio publicado recientemente comunicación de la naturaleza ofrece un posible camino a seguir. El trabajo fue dirigido por Guan Zheng, profesor de ingeniería biomédica y director del Centro de Innovación Biomédica y Bioingeniería (CBBI) de la UConn, junto con su equipo de investigación en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Connecticut. Sus hallazgos introducen un nuevo enfoque de imágenes que podría remodelar la forma en que se diseñan y utilizan los sistemas ópticos en la ciencia, la medicina y la industria.
¿Por qué la apertura sintética es pequeña en la óptica de imágenes?
“En el centro de este progreso se encuentra un problema técnico de larga data”, afirmó Zheng. “La imagen de apertura sintética, el método que permite al Telescopio Horizonte de Sucesos obtener imágenes de un agujero negro, funciona combinando sinérgicamente mediciones de múltiples sensores discretos para simular una apertura de imagen mucho mayor”.
Esta técnica ha tenido mucho éxito en radioastronomía porque las ondas de radio tienen longitudes de onda largas, lo que permite sincronizar con precisión las señales recopiladas por sensores muy espaciados. La luz visible, sin embargo, opera a una escala mucho menor. En esta longitud de onda, la precisión física necesaria para sincronizar perfectamente múltiples sensores es extraordinariamente difícil, si no imposible, de lograr utilizando métodos convencionales.
MASI y un método de sincronización basado en software
El generador de imágenes de síntesis de apertura multiescala (MASI) adopta un enfoque fundamentalmente diferente para este desafío. En lugar de requerir que los sensores ópticos estén alineados físicamente exactamente, MASI permite que cada sensor recopile luz de forma independiente. Se utilizan algoritmos computacionales avanzados para sincronizar los datos una vez completada la medición.
Zheng compara el concepto con un grupo de fotógrafos que capturan la misma escena. En lugar de tomar fotografías tradicionales, cada fotógrafo registra datos sin procesar sobre cómo se comportan las ondas de luz. Luego, el software combina estas mediciones separadas en una única imagen de muy alta resolución.
Al manejar computacionalmente la sincronización de fases, MASI evita las rígidas configuraciones interferométricas que durante mucho tiempo han limitado la practicidad de los sistemas ópticos de apertura sintética.
Cómo funcionan las imágenes sin lentes en MASI
MASI se aleja de las imágenes ópticas tradicionales de dos maneras principales. Primero, elimina completamente la lente. En lugar de enfocar la luz a través del vidrio, el sistema utiliza una serie de sensores codificados colocados en diferentes ubicaciones dentro de un plano de difracción. Cada sensor registra el patrón de difracción, que describe cómo se propagan las ondas de luz después de interactuar con un objeto. Estos patrones contienen información tanto de amplitud como de fase que luego se puede recuperar mediante técnicas computacionales.
Después de reconstruir el complejo campo de ondas de cada sensor, el sistema expande digitalmente los datos y propaga matemáticamente los campos de ondas al plano del objeto. Luego, un proceso de sincronización de fase computacional ajusta las diferencias de fase relativas entre los sensores. Esta optimización iterativa aumenta la coherencia y concentra la energía en la imagen reconstruida final.
Esta alineación basada en software es la innovación central. Al reemplazar la precisión física con la optimización computacional, MASI evita el límite de dispersión y otras limitaciones que tradicionalmente han regido los sistemas de imágenes ópticas.
Una apertura virtual con resolución submicrónica
El resultado es una apertura sintética virtual mucho mayor que la de cualquier sensor individual. Esto permite obtener imágenes con resolución submicrónica y al mismo tiempo cubrir un amplio campo de visión, sin utilizar lentes.
Las lentes tradicionales utilizadas en microscopios, cámaras y telescopios obligan a los ingenieros a hacer concesiones. Lograr una resolución más alta significa colocar la lente muy cerca del objeto, a veces a sólo unos milímetros de distancia. Esta corta distancia de trabajo puede hacer que la obtención de imágenes sea difícil, poco práctica o incluso invasiva en determinadas aplicaciones.
MASI supera esa limitación al capturar patrones de dispersión a partir de distancias medidas en centímetros. El sistema aún puede reconstruir imágenes con detalles submicrónicos. Zheng lo compara con examinar un mechón de cabello humano sobre un escritorio en lugar de sostenerlo a sólo unos centímetros de su ojo.
Imágenes escalables en la ciencia y la industria
“Las aplicaciones potenciales de MASI abarcan múltiples campos, desde la ciencia forense y el diagnóstico médico hasta la inspección industrial y la detección remota”, dijo Zheng, “pero el aspecto más interesante es la escalabilidad: a diferencia de la óptica tradicional que se vuelve exponencialmente más compleja con el crecimiento, nuestro sistema escala linealmente, lo que potencialmente nos permite desarrollar aplicaciones para conjuntos aún más grandes”.
El generador de imágenes de síntesis de apertura multiescala apunta a una nueva dirección para la obtención de imágenes ópticas. Al separar la medición de la sincronización y reemplazar los voluminosos componentes ópticos con conjuntos de sensores controlados por software, MASI muestra cómo la computación puede superar los límites impuestos por la óptica física. El resultado es un marco de imágenes que es flexible, escalable y capaz de proporcionar alta resolución en formas que antes estaban fuera de alcance.
