■ 1. イメージング技術の現状と課題
- イメージング技術は宇宙の観測方法を変革してきた
- 電波望遠鏡アレイによる遠方銀河のマッピングから生きた細胞内部の微細な詳細の解明まで可能にした
- 数十年にわたる革新にもかかわらず根本的な障壁が持続している
- 光波長での高解像度広視野画像を面倒なレンズや厳格な位置合わせの制約なしに撮影することができない
■ 2. 新研究の発表
- Guoan Zheng教授と彼の研究チームによる新しい研究がNature Communicationsに発表された
- Zheng氏はUConnの生物医学工学教授でありUConn Center for Biomedical and Bioengineering Innovationのディレクター
- この研究は科学や医学や産業全体で光学イメージングを再定義する可能性のある画期的なソリューションを紹介している
■ 3. ブレイクスルーの核心:長年の技術的問題
- この画期的成果の核心には長年の技術的問題がある
- 合成開口イメージングとはEvent Horizon Telescopeがブラックホールを撮影することを可能にした方法
- 複数の分離したセンサーからの測定をコヒーレントに組み合わせてはるかに大きなイメージング開口をシミュレートする
- 電波天文学では電波の波長がはるかに長いためセンサー間の正確な同期が可能
- しかし可視光波長では関心のあるスケールが桁違いに小さいため従来の同期要件は物理的にほぼ満たすことが不可能になる
■ 4. MASIが光学障壁を克服する方法
- Multiscale Aperture Synthesis Imagerはこの課題を逆転させる
- 複数の光学センサーを完全な物理的同期で動作させることを強制するのではなくMASIは各センサーが独立して光を測定しその後計算アルゴリズムを使用してデータを同期させる
- 完全な物理的同期にはナノメートルレベルの精度が必要になる
- 複数の写真家が同じシーンを通常の写真としてではなく光波特性の生測定値として撮影しその後ソフトウェアがこれらの独立したキャプチャを1つの超高解像度画像につなぎ合わせるようなもの
- この計算位相同期スキームは光学合成開口システムの実用的な展開をこれまで妨げてきた剛性干渉計セットアップの必要性を排除する
■ 5. MASIのユニークなイメージングアプローチ
- MASIは2つの変革的な方法で従来の光学イメージングから逸脱している
- レンズに依存して光をセンサーに集束させるのではなくMASIは回折平面の異なる部分に配置されたコード化センサーのアレイを展開する
- それぞれが生の回折パターンを捕捉する
- 回折パターンとは本質的に物体と相互作用した後に光波が広がる方法
- これらの回折測定には振幅と位相情報の両方が含まれており計算アルゴリズムを使用して回復される
- 各センサーの複素波動場が回復されるとシステムはデジタルでパディングし波動場を物体平面に数値的に伝播させる
- 計算位相同期法は各センサーのデータの相対位相オフセットを反復的に調整して統一された再構成における全体的なコヒーレンスとエネルギーを最大化する
- このステップが重要な革新
- センサーを物理的に位置合わせするのではなくソフトウェアで結合された波動場を最適化することによりMASIは回折限界と従来の光学によって課される他の制約を克服する
- 結果として単一のセンサーよりも大きな仮想合成開口が得られサブミクロン解像度とレンズなしでの広い視野カバレッジが可能になる
■ 6. MASIの利点と将来の可能性
- 顕微鏡やカメラや望遠鏡などの従来のレンズは設計者をトレードオフに追い込む
- より小さな特徴を解像するにはレンズを物体に近づける必要があり多くの場合ミリメートル以内にする必要がある
- これにより作業距離が制限され特定のイメージングタスクが非実用的または侵襲的になる