Nyt kamerasystem ser skarpere – helt uden optik

Et kamera uden linser lyder som en selvmodsigelse. Alligevel er det netop, hvad forskere fra University of Connecticut nu har demonstreret. Det nye kamerasystem, kaldet MASI – Multiscale Aperture Synthesis Imager, dropper traditionel optik og bruger i stedet sensorer og avanceret billedbehandling til at opnå en opløsning, der normalt kræver store og præcise linser.

Hvis teknologien modnes, kan den få betydning for alt fra mobilkameraer og medicinsk billeddiagnostik til industriel kvalitetskontrol og retsmedicin.

En syntetisk blænde skabt i software

I klassiske kameraer bestemmes billedets skarphed af objektivets blænde og linsernes kvalitet. MASI vender princippet på hovedet. Her findes ingen linser og ingen fysisk blænde. I stedet skaber systemet en syntetisk blænde ved at kombinere målinger fra mange små billedsensorer.

Sensorerne er placeret i et såkaldt diffraktionsplan, hvor de ikke optager et færdigt billede, men komplekse lysmønstre. Disse mønstre indeholder både information om lysstyrke og om lysets fase – en egenskab, som normalt går tabt i almindelig fotografering, men som er afgørende for høj opløsning.

Hver sensor arbejder helt uafhængigt. Først bagefter samler softwaren dataene og rekonstruerer ét samlet billede. Resultatet er en virtuel blænde, der i praksis er langt større end nogen fysisk sensor eller linse.

Inspireret af et sort hul

Ideen er inspireret af Event Horizon-teleskopet, som i 2019 skabte det første billede af et sort hul ved at kombinere data fra radioteleskoper over hele kloden. Tilsammen fungerede de som ét enormt teleskop.

At overføre samme princip til synligt lys har længe været betragtet som næsten umuligt. Lysets korte bølgelængde betyder, at selv mikroskopiske fejl i justeringen mellem sensorer normalt ødelægger billedet. MASI løser problemet ved helt at droppe kravet om fysisk synkronisering.

I stedet bruger systemet beregningsbaseret fasesynkronisering. Algoritmerne justerer målingerne trin for trin, indtil de passer sammen med maksimal sammenhæng. Det er software – ikke mekanisk præcision – der sørger for, at billedet hænger sammen.

Høj opløsning uden kompromiser

I demonstrationer har MASI vist, at det kan opnå opløsning på under én mikrometer over et stort synsfelt og fra flere centimeters afstand. Det er usædvanligt, fordi klassisk optik normalt tvinger kameraer til at vælge mellem høj opløsning, stort synsfelt eller komfortabel arbejdsafstand.

Forskerne har blandt andet brugt systemet til at afbilde et patronhylster med mikroskopiske detaljer, herunder aftryk fra slagstiften. Det er den type information, som i dag kræver specialiseret laboratorieudstyr, men som her opnås uden linser.

Skalerbart – og potentielt billigere

En af de mest lovende egenskaber ved MASI er, hvor let systemet kan skaleres. Hvor traditionelle optiske systemer bliver mere komplekse og dyre, jo større de bliver, vokser MASI næsten lineært. Flere sensorer giver bedre billeder, uden at opsætningen bliver dramatisk mere kompliceret.

Det gør teknologien interessant i en tid, hvor kameraer presses til at være både mindre, billigere og mere avancerede. På sigt kan princippet bane vejen for ultratynde kameraer, nye typer mikroskoper og billedsystemer, hvor software overtager den rolle, som glas og linser har haft i århundreder.

MASI viser dermed, at kameraets næste store spring ikke nødvendigvis handler om bedre optik – men om bedre algoritmer. Når blænden bliver syntetisk, flytter grænsen for, hvad et kamera kan se.

Forskerne har publiseret deres arbejde i tidsskrittet Nature.

Nyt kamerasystem ser skarpere – helt uden optik