Технології візуалізації вже змінили наше уявлення про світ: радіотелескопи складають карту далеких галактик, а мікроскопи відкривають деталі живих клітин. Але в оптичному діапазоні (видиме світло) десятиліттями трималася жорстка межа отримувати одночасно високу роздільність і велике поле зору без лінз та мікроскопічного вирівнювання оптики
Команда професора Гуоана Чженга (Guoan Zheng) з університету Коннектикуту запропонувала рішення, яке може змінити правила гри. У Nature Communications вони описали систему MASI (Multiscale Aperture Synthesis Imager), що досягає оптичної надроздільності без лінз, використовуючи масив сенсорів і “дошивання” даних обчисленнями. Джерело: Phys.org (24 грудня 2025), посилання на роботу: DOI 10.1038/s41467-025-65661-8. Нижче ми виклали додаткові роботи ще й Ruihai Wang що мають пряме бо він був одним з авторів і має досить пряме відношення до циї дослідів.
Якщо є бажання, можна ще ознаймитись роботами які передували основній від Guoan Zheng
Ptychography at all wavelengths (Птихографія на всіх довжинах хвиль)
Суть птихографії в тому що це обчислювальний метод надвисокої роздільної здатності, який дозволяє “бачити” структури менші за класичну оптичну межу, причому без лінз або з дуже простою оптикою.
Correction: Corrigendum: Wide-field, high-resolution Fourier ptychographic microscopy (Виправлення: Коригування (corrigendum): широкопольова високороздільна Фур’є-птихографічна мікроскопія)
Fourier ptychographic microscopy — це метод, який поєднує: високу роздільну здатність,
використовуючи обчислювальну реконструкцію у Фурʼє-просторі з багатьох знімків, зроблених під різними кутами освітлення та широке поле зору
Для тих кого зацікавило що таке Фур’є-простір, то це спосіб на погляд на зображення. Фурʼє-простір: наскільки дрібні або великі деталі є в зображенні. А звичайний простір: де саме знаходиться точка на зображенні.
Яким боком тут фото чорної діри?
Натхненням стала концепція синтетичної апертури. Саме такий підхід дозволив масиву радіотелескопів Event Horizon Telescope зібрати дані з різних точок Землі й отримати перше зображення чорної діри: багато рознесених “очей” працюють як один гігантський інструмент.
У радіодіапазоні це реально, бо довжина хвилі велика і синхронізація сенсорів не вимагає “нанометрової акробатики”. А от у видимому світлі довжина хвилі в сотні разів менша, тому фізично синхронізувати кілька оптичних сенсорів з потрібною точністю майже неможливо. І ось тут MASI робить хід конем.
В бхід оптичного бар’єра
Замість того щоб змушувати сенсори працювати в ідеальній фізичній синхронності, MASI робить навпаки:
- Кожен сенсор вимірює світло незалежно.
- Потім система синхронізує ці вимірювання “після факту” програмно.
Автори порівнюють це з ситуацією, коли кілька фотографів знімають одну сцену, але не як звичайне фото, а як “сирі” вимірювання властивостей світлової хвилі. А вже потім софт поєднує ці фрагменти в одне наддеталізоване зображення.
Ключовий момент: така обчислювальна фазова синхронізація прибирає потребу в жорстких інтерферометричних конструкціях, які раніше фактично блокували практичні оптичні системи синтетичної апертури.
Що саме “бачить” сенсор
дифракційні візерунки замсть фотоMASI відходить від класичної оптики у двох важливих речах:
- Немає лінзи, яка фокусує світло на матрицю.
- Є масив кодованих сенсорів, розміщених у різних точках дифракційної площини.
Кожен сенсор захоплює дифракційні патерни (як розходяться хвилі після взаємодії з об’єктом). Це не “гарне фото”, але в цих патернах захована і амплітуда (яскравість), і фаза світлової хвилі. Далі алгоритми відновлюють комплексне хвильове поле, “доповнюють” його чисельно й переносять назад до площини об’єкта.
Після цього запускається найцікавіше: програма ітеративно підбирає відносні фазові зсуви між сенсорами, щоб максимізувати узгодженість (когерентність) і “енергію” в єдиній реконструкції. Тобто система не підганяє залізо під світло, а підганяє математику під реальність.
Результат: формується віртуальна (синтетична) апертура, більша за будь-який окремий сенсор, що дає субмікронну роздільність разом із широким полем огляду і без лінз.
Роздільність на відстані сантиметрів
Звичайна оптика завжди змушує до компромісів. Аби бачити дрібніші деталі, лінзи треба підносити дуже близько до об’єкта (інколи на міліметри). Це зменшує робочу відстань і частину задач робить незручною, а іноді й інвазивною.
MASI, навпаки, може знімати дифракційні патерни з сантиметрової відстані та відновлювати деталі аж до субмікронного рівня. У популярному образі з тексту: це ніби роздивлятися тонкі структури на волосині з іншого боку столу, а не підносити її майже до очей.
Може “вистрілити” технологія
Поки це ще лабораторний постріл, але. Потенційні напрями застосування, які прямо згадуються авторами:
- криміналістика (наприклад, аналіз мікрорельєфу слідів на об’єктах);
- медична діагностика та біомедична візуалізація;
- промислова інспекція й контроль якості;
- дистанційне зондування.
Окрема сильна сторона, на якій наголошує команда, це масштабованість: якщо класична оптика ускладнюється “експоненційно” зі зростанням системи, то підхід MASI, за задумом, масштабується лінійно. А це відкриває дорогу до великих масивів сенсорів і сценаріїв, які поки навіть складно уявити.
Що ж в результаті
MASI демонструє зміну парадигми: обчислення починають знімати обмеження фізичної оптики, можна сказати що фундаментальні. Розділяючи “вимірювання” і “синхронізацію”, та замінюючи лінзи масивом сенсорів і алгоритмами, система відкриває новий клас візуалізації: висока роздільність, гнучкість, масштабованість і менше механічної складності.
Наукові публікаціі:
Ruihai Wang et al., Nature Communications (2025), DOI: 10.1038/s41467-025-65661-8.
Будь першим хто прокоментує