Новая эра фототехники: инженеры создали камеру без единой линзы

Исследователи из Университета Коннектикута представили технологию формирования изображений, принципиально отказывающуюся от использования линз. Система MASI (Multiscale Aperture Synthesis Imager) достигает сверхвысокого разрешения за счет вычислительных методов, синхронизирующих данные с массива независимых сенсоров.

Концепция синтетической апертуры, лежащая в основе разработки, давно применяется в радиоастрономии для объединения данных телескопов в виртуальный инструмент гигантского размера, но перенос этого подхода в оптический диапазон с его крайне малыми длинами волн считался практически неосуществимым из-за необходимости физической синхронизации сенсоров с нанометровой точностью. Инженеры обошли это фундаментальное ограничение, перенеся задачу синхронизации из аппаратной в программную область.

В системе MASI несколько компактных сенсоров располагаются на некотором расстоянии от объекта. Каждый из них независимо регистрирует не готовое изображение, а сложную дифракционную картину — данные о распределении амплитуды и фазы световых волн. Специальные алгоритмы затем анализируют эти данные, вычисляют и корректируют фазовые расхождения между отдельными сенсорами, после чего объединяют информацию в единое целое. В результате формируется изображение, которое по детализации соответствует тому, что мог бы получить один объектив.

Ключевое преимущество метода — отказ от дорогостоящих и сложных в юстировке линзовых компонентов. Во время испытаний система продемонстрировала способность восстанавливать трехмерную структуру объектов с субмикронным разрешением с рабочего расстояния в несколько сантиметров. Технология обладает линейной масштабируемостью: для увеличения разрешения или поля зрения достаточно добавить новые сенсоры в массив, не сталкиваясь с экспоненциальным ростом сложности, характерным для традиционной оптики.

Разработка, подробно описанная в журнале Nature Communications, знаменует сдвиг парадигмы в области визуализации, где вычислительная мощность начинает преодолевать барьеры, установленные законами физической оптики.