Đột phá cảm biến hình ảnh giúp nhìn thấy chi tiết siêu nhỏ từ khoảng cách xa

Một hệ thống chụp ảnh không dùng ống kính, kết hợp phần mềm xử lý, vừa cho phép các nhà khoa học quan sát chi tiết nhỏ hơn từ khoảng cách xa hơn bất kỳ hệ thống quang học truyền thống nào từng làm được.

Công nghệ hình ảnh từ lâu đã thay đổi cách con người khám phá thế giới, từ việc lập bản đồ các thiên hà xa xôi bằng kính thiên văn vô tuyến cho tới quan sát cấu trúc siêu nhỏ bên trong tế bào sống. Tuy nhiên, vẫn tồn tại một giới hạn lớn: ở dải ánh sáng nhìn thấy, việc chụp ảnh vừa có độ chi tiết cao vừa có trường nhìn rộng đòi hỏi ống kính cồng kềnh và căn chỉnh vật lý cực kỳ chính xác, khiến nhiều ứng dụng trở nên khó triển khai hoặc không khả thi.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Connecticut (UConn) cho rằng họ đã tìm ra lời giải cho bài toán này. Một nghiên cứu mới do Guoan Zheng, giáo sư kỹ thuật y sinh kiêm giám đốc Trung tâm Đổi mới Công nghệ Sinh – Y sinh (CBBI) của UConn, cùng cộng sự thực hiện, vừa giới thiệu một chiến lược chụp ảnh hoàn toàn mới, hứa hẹn mở rộng đáng kể năng lực của các hệ thống quang học trong nghiên cứu khoa học, y học và công nghiệp.

Vì sao chụp ảnh khẩu độ tổng hợp không hiệu quả với ánh sáng nhìn thấy?

“Theo cốt lõi, đột phá này giải quyết một vấn đề kỹ thuật tồn tại từ lâu,” Zheng cho biết. Chụp ảnh khẩu độ tổng hợp (synthetic aperture imaging) – phương pháp từng giúp Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (EHT) chụp được ảnh hố đen – hoạt động bằng cách kết hợp đồng bộ dữ liệu từ nhiều cảm biến đặt cách xa nhau, để mô phỏng một khẩu độ cực lớn.

Cách tiếp cận này rất hiệu quả trong thiên văn vô tuyến vì sóng vô tuyến có bước sóng dài, giúp việc đồng bộ giữa các cảm biến trở nên khả thi. Ngược lại, ánh sáng nhìn thấy có bước sóng cực ngắn, đòi hỏi độ chính xác vật lý gần như tuyệt đối khi căn chỉnh các cảm biến. Đây chính là rào cản lớn khiến các hệ thống khẩu độ tổng hợp quang học truyền thống khó ứng dụng trong thực tế.

Khi phần mềm đảm nhiệm vai trò đồng bộ

Hệ thống mới mang tên Multiscale Aperture Synthesis Imager (MASI) giải quyết vấn đề theo một hướng hoàn toàn khác. Thay vì yêu cầu các cảm biến phải được đồng bộ hoàn hảo ngay trong quá trình đo, MASI cho phép mỗi cảm biến quang học thu thập dữ liệu độc lập. Việc căn chỉnh và đồng bộ sẽ được thực hiện sau đó bằng thuật toán.

Zheng ví von cách tiếp cận này giống như nhiều nhiếp ảnh gia cùng quan sát một cảnh. Thay vì chụp ảnh thông thường, mỗi người ghi lại thông tin thô về hành vi của sóng ánh sáng. Phần mềm sau đó sẽ kết hợp các dữ liệu độc lập này thành một bức ảnh duy nhất với độ chi tiết cực cao.

Việc đồng bộ pha bằng tính toán giúp loại bỏ nhu cầu về các hệ thống giao thoa cứng nhắc – yếu tố từng cản trở việc phổ biến hóa chụp ảnh khẩu độ tổng hợp trong quang học.

MASI ghi nhận và tái tạo ánh sáng như thế nào?

MASI khác biệt với các hệ thống quang học truyền thống ở hai điểm then chốt. Trước hết, nó không dùng ống kính để hội tụ ánh sáng. Thay vào đó, hệ thống sử dụng một mảng cảm biến được mã hóa, đặt tại nhiều vị trí khác nhau trong mặt phẳng nhiễu xạ. Mỗi cảm biến ghi lại các mẫu nhiễu xạ, mô tả cách sóng ánh sáng lan truyền sau khi tương tác với vật thể. Những mẫu này chứa cả thông tin về biên độ lẫn pha của ánh sáng, vốn có thể được phục hồi bằng tính toán.

Sau khi tái dựng trường sóng phức từ từng cảm biến, hệ thống sẽ mở rộng dữ liệu một cách số hóa và lan truyền ngược trường sóng về mặt phẳng vật thể. Một quá trình đồng bộ pha bằng thuật toán sẽ liên tục điều chỉnh sai lệch pha giữa các cảm biến. Việc lặp lại này làm tăng độ kết hợp và tập trung năng lượng vào hình ảnh tổng hợp cuối cùng.

Chính bước tối ưu bằng phần mềm này là đột phá cốt lõi, giúp MASI vượt qua giới hạn nhiễu xạ và nhiều rào cản vật lý từng chi phối quang học truyền thống.

Khẩu độ ảo, độ chi tiết cực cao

Kết quả cuối cùng là một khẩu độ tổng hợp ảo lớn hơn rất nhiều so với bất kỳ cảm biến đơn lẻ nào. Nhờ đó, hệ thống đạt được độ phân giải dưới micromet trong khi vẫn giữ được trường nhìn rộng, hoàn toàn không cần đến ống kính.

Trong các hệ thống truyền thống như kính hiển vi, máy ảnh hay kính thiên văn, kỹ sư luôn phải đánh đổi giữa độ phân giải và khoảng cách làm việc. Muốn nhìn rõ chi tiết nhỏ, ống kính thường phải đặt rất gần vật thể, đôi khi chỉ cách vài milimét. Điều này hạn chế khả năng tiếp cận, giảm tính linh hoạt, thậm chí gây xâm lấn trong một số ứng dụng.

MASI loại bỏ ràng buộc này bằng cách thu nhận mẫu nhiễu xạ từ khoảng cách tính bằng centimet, nhưng vẫn tái tạo được hình ảnh với độ chi tiết dưới micromet. Zheng so sánh điều này giống như việc có thể quan sát các rãnh siêu nhỏ trên một sợi tóc từ bên kia bàn làm việc, thay vì phải đưa nó sát vào mắt.

Ứng dụng rộng khắp, dễ mở rộng

Theo Zheng, tiềm năng ứng dụng của MASI trải rộng từ pháp y, chẩn đoán y khoa, kiểm tra công nghiệp cho tới viễn thám. Điều đáng chú ý nhất là khả năng mở rộng. Không giống quang học truyền thống vốn trở nên phức tạp theo cấp số nhân khi mở rộng quy mô, hệ thống này phát triển theo hướng tuyến tính, mở ra khả năng xây dựng các mảng cảm biến lớn cho những ứng dụng mà hiện nay chúng ta còn chưa hình dung được.

MASI đại diện cho một bước chuyển quan trọng trong thiết kế hệ thống chụp ảnh quang học. Bằng cách tách rời việc thu thập dữ liệu khỏi quá trình đồng bộ, đồng thời thay thế các linh kiện quang học cồng kềnh bằng mảng cảm biến được điều khiển bởi phần mềm, công trình này cho thấy tính toán có thể vượt qua những giới hạn vật lý tồn tại hàng thập kỷ. Đây là cánh cửa mở ra thế hệ hệ thống hình ảnh mới: chi tiết hơn, linh hoạt hơn và có khả năng mở rộng vượt xa những gì trước đây được coi là khả thi.