يتيح مستشعر الصور المتطور هذا للعلماء رؤية التفاصيل الصغيرة من مسافة بعيدة

يستخدم نظام التصوير الجديد الخالي من العدسات برنامجًا لرؤية تفاصيل أدق من مسافة أبعد مما فعلته الأنظمة البصرية من قبل.

أعادت تكنولوجيا التصوير تشكيل الطريقة التي يستكشف بها العلماء الكون – بدءًا من رسم المجرات البعيدة باستخدام مصفوفات التلسكوب الراديوي وحتى الكشف عن الهياكل الصغيرة داخل الخلايا الحية. وعلى الرغم من هذا التقدم، ظل أحد القيود الرئيسية دون حل. يتطلب التقاط الصور المفصلة للغاية والواسعة النطاق بأطوال موجية بصرية عدسات ضخمة ومحاذاة فيزيائية دقيقة للغاية، مما يجعل العديد من التطبيقات صعبة أو غير عملية.

ربما وجد الباحثون في جامعة كونيتيكت طريقة للتغلب على هذه العقبة. نُشرت دراسة جديدة بقيادة Guoan Zheng، أستاذ الهندسة الطبية الحيوية ومدير مركز UConn للابتكار في الطب الحيوي والهندسة الحيوية (CBBI)، إلى جانب فريقه في كلية الهندسة بجامعة كونيتيكت، في اتصالات الطبيعة. يقدم العمل استراتيجية تصوير جديدة يمكن أن توسع بشكل كبير ما يمكن أن تفعله الأنظمة البصرية في البحث العلمي والطب والبيئات الصناعية.

لماذا ينهار تصوير الفتحة الاصطناعية عند الضوء المرئي؟

وقال تشنغ: “في قلب هذا الاختراق هناك مشكلة فنية طويلة الأمد”. “التصوير بالفتحة الاصطناعية – الطريقة التي سمحت لتلسكوب أفق الحدث بتصوير أ الثقب الأسود – يعمل من خلال الجمع بشكل متماسك بين القياسات من أجهزة استشعار منفصلة متعددة لمحاكاة فتحة تصوير أكبر بكثير.

يعمل هذا النهج بشكل جيد في علم الفلك الراديوي لأن موجات الراديو لها أطوال موجية طويلة، مما يجعل التنسيق الدقيق بين أجهزة الاستشعار ممكنًا. يعمل الضوء المرئي على نطاق أصغر بكثير. في تلك الأطوال الموجية، المادية دقة يصبح من الصعب للغاية الحفاظ على الحاجة إلى الحفاظ على تزامن أجهزة الاستشعار المتعددة، مما يضع حدودًا صارمة على أنظمة الفتحات الاصطناعية البصرية التقليدية.

السماح للبرامج بإجراء المزامنة

يعالج جهاز التصوير التجميعي ذو الفتحة المتعددة (MASI) هذا التحدي بطريقة مختلفة تمامًا. بدلاً من مطالبة أجهزة الاستشعار بالبقاء متزامنة تمامًا أثناء القياس، يسمح MASI لكل مستشعر بصري بجمع الضوء بمفرده. يتم بعد ذلك استخدام الخوارزميات الحسابية لمحاذاة البيانات ومزامنتها بعد التقاطها.

يصف تشنغ المفهوم بأنه مشابه للعديد من المصورين الذين يراقبون نفس المشهد. وبدلاً من التقاط صور فوتوغرافية قياسية، تسجل كل واحدة منها معلومات أولية حول سلوك موجات الضوء. يقوم البرنامج لاحقًا بدمج هذه القياسات المستقلة في صورة واحدة بتفاصيل عالية بشكل استثنائي.

يزيل هذا النهج الحسابي لتزامن الطور الحاجة إلى إعدادات قياس التداخل الصارمة، والتي منعت تاريخيًا استخدام التصوير بالفتحة الاصطناعية البصرية على نطاق واسع في تطبيقات العالم الحقيقي.

كيف يلتقط MASI الضوء ويعيد بناءه

يختلف MASI عن الأنظمة البصرية التقليدية بطريقتين رئيسيتين. أولاً، لا يعتمد على العدسات لتركيز الضوء. وبدلاً من ذلك، يستخدم مجموعة من أجهزة الاستشعار المشفرة الموضوعة في مواقع مختلفة داخل مستوى الحيود. يسجل كل مستشعر أنماط الحيود، التي تصف كيفية انتشار موجات الضوء بعد التفاعل مع جسم ما. تحتوي هذه الأنماط على معلومات السعة والطور التي يمكن استعادتها لاحقًا باستخدام الطرق الحسابية.

بعد إعادة بناء مجال الموجة المعقد من كل مستشعر، يقوم النظام بتوسيع البيانات رقميًا ونشر حقول الموجات رياضيًا مرة أخرى إلى مستوى الكائن. تقوم عملية مزامنة الطور الحسابي بعد ذلك بضبط اختلافات الطور النسبية بين أجهزة الاستشعار. تعمل هذه العملية التكرارية على زيادة التماسك وتركيز الطاقة في الصورة المدمجة.

هذا التحسين القائم على البرمجيات هو التقدم المركزي. من خلال محاذاة البيانات حسابيًا وليس ماديًا، يتغلب MASI على حد الحيود والقيود الأخرى التي تحكم التصوير البصري تقليديًا.

فتحة افتراضية بتفاصيل دقيقة

والنتيجة النهائية هي فتحة تركيبية افتراضية أكبر من أي مستشعر واحد. يتيح ذلك للنظام تحقيق دقة أقل من الميكرون مع الاستمرار في تغطية مجال رؤية واسع، كل ذلك دون استخدام العدسات.

العدسات التقليدية المستخدمة في المجاهر والكاميرات والتلسكوبات تجبر المهندسين على موازنة الدقة مع مسافة العمل. لرؤية تفاصيل أدق، يجب عادةً وضع العدسات بالقرب جدًا من الجسم، وأحيانًا على بعد ملليمترات فقط. يمكن أن يحد هذا المتطلب من الوصول، أو يقلل من المرونة، أو يجعل بعض مهام التصوير غازية.

يزيل MASI هذا القيد من خلال التقاط أنماط الحيود من مسافات مقاسة بالسنتيمتر وإعادة بناء الصور بتفاصيل أقل من الميكرون. يقارن تشنغ هذا بالقدرة على فحص النتوءات الدقيقة لشعرة الإنسان من خلال مكتب بدلاً من إمساكها على بعد بوصات فقط من عينك.

تطبيقات قابلة للتطوير عبر العديد من المجالات

قال زينج: “تشمل التطبيقات المحتملة لـ MASI مجالات متعددة، بدءًا من علوم الطب الشرعي والتشخيص الطبي وحتى التفتيش الصناعي والاستشعار عن بعد. ولكن الأمر الأكثر إثارة هو قابلية التوسع – على عكس البصريات التقليدية التي تصبح أكثر تعقيدًا بشكل كبير مع نموها، يتوسع نظامنا خطيًا، مما يحتمل أن يتيح مصفوفات كبيرة لتطبيقات لم نتخيلها حتى الآن.”

يمثل المصور التجميعي ذو الفتحة المتعددة تحولاً في كيفية تصميم أنظمة التصوير البصري. من خلال فصل جمع البيانات عن المزامنة واستبدال المكونات الضوئية الضخمة بمصفوفات أجهزة استشعار يتم التحكم فيها بواسطة البرنامج، يُظهر MASI كيف يمكن للحوسبة التغلب على الحدود المادية طويلة الأمد. يفتح هذا النهج الباب أمام أنظمة التصوير المفصلة للغاية، والقابلة للتكيف، والقادرة على التوسع إلى أحجام كانت بعيدة المنال في السابق.

المرجع: “التصوير التوليفي متعدد النطاقات” بقلم Ruihai Wang، وQianhao Zhao، وTianbo Wang، وMitchell Modarelli، وPeter Vouras، وZikun Ma، وZhixuan Hong، وKazunori Hoshino، وDavid Brady، وGuoan Zheng، 26 نوفمبر 2025، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-025-65661-8

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.