En unik kamera som kan fånga en detaljerad mikronupplösning på avstånd använder en laser och tekniker som lånar från holografi, mikroskopi och "Matrix"-stil kultid.

En prototyp byggd och testad av ingenjörer vid Rice och Northwestern-universitetet läser av en punkt som är upplyst av en laser och fångar "fläckar"-mönstret med en kamerasensor. Rådata från dussintals kamerapositioner matas till ett datorprogram som tolkar det och konstruerar en högupplöst bild.

Systemet känt som SAVI - för "Synthetic Apertures for long range, subdiffraktionsbegränsad Visible Imaging"—behöver inte en lång lins för att ta en bild av ett avlägsna objekt. Prototypen fungerar bara med koherenta belysningskällor som laser, men Ashok Veeraraghavan, en Rice biträdande professor i el- och datateknik, sa att det är ett steg mot en SAVI-kamerauppsättning för användning i synligt ljus.

"I dag, tekniken kan endast tillämpas på koherent (laser)ljus, ", sa han. "Det betyder att du inte kan tillämpa dessa tekniker för att ta bilder utomhus och förbättra upplösningen för solbelysta bilder - ännu. Vår förhoppning är att en dag, kanske ett decennium från nu, vi kommer att ha den förmågan."

Tekniken är föremål för ett papper med öppen tillgång i Vetenskapens framsteg .

Labs ledda av Veeraraghavan på Rice och Oliver Cossairt vid Northwesterns McCormick School of Engineering byggde och testade enheten som jämför interferensmönster mellan flera fläckiga bilder. Liksom tekniken som används för att uppnå specialeffekten "Matrix", bilderna är tagna från lite olika vinklar, men med en kamera som flyttas mellan bilder istället för att många avfyras i sekvens.

Veeraraghavan förklarade att fläckarna fungerar som referensstrålar och i huvudsak ersätter en av de två strålarna som används för att skapa hologram. När en laser lyser upp en grov yta, betraktaren ser kornliknande fläckar i pricken. Det beror på att en del av det återkommande ljuset som sprids från punkter på ytan har längre kvar att gå och kastar den kollektiva vågen ur fas. Texturen på ett papper - eller till och med ett fingeravtryck - är tillräckligt för att orsaka effekten.

Forskarna använder dessa fasoregelbundenheter till sin fördel.

"Problemet vi löser är att oavsett vilken våglängd av ljus du använder, bildens upplösning - den minsta egenskapen du kan lösa i en scen - beror på denna grundläggande storhet som kallas diffraktionsgränsen, som skalas linjärt med storleken på din bländare, " sa Veeraraghavan.

"Med en traditionell kamera, ju större den fysiska storleken på bländaren, ju bättre upplösning, " sa han. "Om du vill ha en bländare som är en halv fot, du kan behöva 30 glasytor för att ta bort aberrationer och skapa en fokuserad plats. Detta gör din lins väldigt stor och skrymmande."

SAVI:s "syntetiska bländare" kringgår problemet genom att ersätta en lång lins med ett datorprogram som löser sprickdata till en bild. "Du kan fånga interferensmönster på rätt avstånd, " Sa Veeraraghavan. "Hur långt beror på hur stark lasern är och hur långt bort du kan belysa."

"Genom att flytta aberrationsuppskattning och korrigering ut till beräkning, vi kan skapa en kompakt enhet som ger oss samma yta som linsen vi vill ha utan storleken, vikt, volym och kostnad, sa Cossairt, en biträdande professor i elektroteknik och datavetenskap vid Northwestern.

Huvudförfattare Jason Holloway, en Rice-alumn som nu är postdoktor vid Columbia University, föreslog en rad billiga sensorer och plastlinser som kostar några dollar styck en dag kan ersätta traditionella teleobjektiv som kostar mer än $100, 000. "Vi borde kunna fånga exakt samma prestanda men till en lägre kostnad i storleksordningen, " han sa.

En sådan array skulle eliminera behovet av en rörlig kamera och fånga all data på en gång, "eller så nära det som möjligt, ", sa Cossairt. "Vi vill driva detta till där vi kan göra saker dynamiskt. Det är det som verkligen är unikt:Det finns en väg mot realtid, högupplöst inspelning med denna syntetiska bländare."

Cossairt började fundera på idén när han ansökte om hans National Science Foundation (NSF) CAREER Award. "Senare, Ashok och jag blev intresserade av syntetiska bländartekniker genom några kollegor till oss i Kalifornien som använde dem i mikroskopi."

Veeraraghavan sa att SAVI stöder sig på arbete av California Institute of Technology och University of California, Berkeley, som utvecklade Fourier-ptykografitekniken som gör att mikroskop kan lösa bilder bortom de fysiska begränsningarna för deras optik.

SAVI-teamets genombrott var upptäckten att det kunde placera ljuskällan på samma sida som kameran snarare än bakom målet, som i transmissionsmikroskopi, sa Cossairt. Han tillbringade tre månader på Rice för att utveckla systemet med Holloway och andra i Veeraraghavans labb.

"Vi började med att göra en större version av deras mikroskop, men SAVI har ytterligare tekniska utmaningar. Att lösa dessa är vad denna tidning handlar om, " sa Veeraraghavan.