Оптические микроскопы десятилетиями упирались в фундаментальное ограничение — дифракционный предел, описывающий максимальное разрешение, которого можно достичь при работе со светом. Именно из-за него при больших увеличениях образцы приходится размещать почти вплотную к объективу, а наблюдение мельчайших структур требует сложной и дорогой оптики.

При этом в других областях физики подобные барьеры уже научились обходить. Яркий пример — интерферометрия, позволившая объединить телескопы по всей планете в виртуальный «глаз» размером с Землю и впервые получить изображение чёрной дыры. До недавнего времени считалось, что повторить подобный подход в оптике крайне сложно. Однако новый научный результат показывает: это возможно.

Что предложили исследователи

Учёные из Университета Коннектикута (UConn) разработали принципиально новый оптический сенсор — Multiscale Aperture Synthesis Imager (MASI). В его основе лежит та же идея, что и у телескопа Горизонта событий: синтез изображения из множества независимых источников данных.

Ключевое отличие MASI от традиционных микроскопов заключается в том, что система:

• не использует классические линзы;

• не требует сверхточного механического выравнивания компонентов;

• не опирается на сложную физическую синхронизацию датчиков.

Как работает технология MASI

Система представляет собой массив программируемых сенсоров, расположенных или ориентированных относительно разных участков дифракционной плоскости. Каждый сенсор отдельно регистрирует сырые дифракционные картины, в которых содержится информация не только о яркости, но и о фазе световой волны, отражённой от объекта.

Далее в работу вступает программная часть:

• данные со всех сенсоров объединяются;

• алгоритмы восстанавливают сложную волновую структуру отражённого света;

• итоговое изображение формируется вычислительным способом, без физической фокусировки.

Фактически система «собирает» изображение математически, а не оптически.

Впечатляющие результаты

В ходе демонстрационных экспериментов MASI показала субмикронное разрешение при съёмке с расстояния в несколько сантиметров. Это сопоставимо с возможностью рассматривать структуру человеческого волоса с расстояния нескольких метров.

Для специалистов, работавших с классическими микроскопами на увеличениях 40× и выше, такой результат выглядит особенно впечатляюще. В перспективе это означает, что многие наблюдения, ранее требовавшие тонких срезов тканей, можно будет проводить неинвазивно.

Главное преимущество: масштабируемость

Одной из ключевых особенностей MASI является отсутствие жёстких требований к юстировке датчиков. Более того, система легко масштабируется:

• для повышения разрешения достаточно добавить новые сенсоры;

• вся сложность перенесена в программные алгоритмы обработки.

Это резко снижает стоимость и сложность оборудования по сравнению с высокоточной оптикой.

Где это может применяться

Потенциальные области использования технологии чрезвычайно широки:

• медицина и биологические исследования;

• диагностика и наблюдения непосредственно на поверхности тела и органов;

• промышленный контроль качества;

• криминалистика;

• научные исследования, где требуется высокое оптическое разрешение без громоздких и дорогих систем.

Разработка MASI демонстрирует, что даже фундаментальные ограничения классической оптики могут быть пересмотрены, если заменить часть физики вычислениями. Это может стать началом нового этапа в развитии микроскопии и оптической визуализации в целом.