Новости

Вдохновившись уникальным зрением существ, живших 500 млн лет назад, ученые разработали камеру с рекордной глубиной резкости — от 3 см до 1,7 км

Вдохновившись уникальным зрением существ, живших 500 млн лет назад, ученые разработали камеру с рекордной глубиной резкости — от 3 см до 1,7 км

500 миллионов лет назад океаны кишели трилобитами — существами, которые были дальними родственниками современных мечехвостов. У всех трилобитов было особое зрение благодаря сложным фасеточными глазам, состоящим из десятков и тысяч крошечных независимых единиц, каждая из которых имела собственную роговицу, хрусталик и светочувствительные клетки. Вид Dalmanitina socialis обладал исключительной дальнозоркостью. Их бифокальные глаза, каждый из которых был на стебельке и состоял из двух линз, преломляющих свет под разными углами, позволяли этим существам одновременно видеть плавающую поблизости добычу и врагов на расстоянии более километра.

Вдохновленные оптической структурой бифокальных глаз трилобитов Dalmanitina socialis, ученые Национального института стандартов и технологий США (NIST) разработали миниатюрную камеру формирования изображения светового поля с чрезвычайной глубиной резкости — расстоянием, на котором она может создавать четкие изображения. Камера оказалось способной отображать объекты на расстоянии от 3 сантиметров до 1,7 километра.

Они также разработали компьютерный алгоритм на основе сверточной нейронной сети для исправления аберраций, повышения резкости объектов на промежуточных между ближним и дальним фокусными расстояниями и создания окончательного изображения с полной фокусировкой, охватывающего эту огромную глубину резкости.

Подобные легкие камеры с большой глубиной резкости, объединяющие фотонные технологии в нанометровом масштабе с фотографией под управлением программного обеспечения, обещают революцию в будущих системам обработки изображений с высоким разрешением. Работа ученых NIST Амита Агравала и Анри Лезека, а также их коллег из Мэрилендского университета в Колледж-Парке и Нанкинского университета, описана в журнале Nature Communications.

Исследователи изготовили набор крошечных линз — металинзы. Агравал и его коллеги разместили на плоской поверхности стекла миллионы крошечных прямоугольных столбиков нанометрового размера. Форма и размещение наностолбиков фокусировали свет таким образом, что метаповерхность одновременно действовала как макролинза (для близких объектов) и телеобъектив (для далеких). Наностолбики улавливали свет так, что его можно разделить на две равные части: свет с левой и правой круговой поляризацией (у света с левой круговой поляризацией электрическое поле вращается против часовой стрелки, а у света с правой круговой поляризацией электрическое поле вращается по часовой стрелке.) Наностолбики отклоняли свет с левой и правой круговой поляризацией на разную величину, в зависимости от ориентации.

Вдохновившись уникальным зрением существ, живших 500 млн лет назад, ученые разработали камеру с рекордной глубиной резкости — от 3 см до 1,7 км
Изображение наностолбиков из оксида титана, из которых состоит металинза. Масштаб составляет 500 нанометров. Фото: NIST

Команда расположила наностолбики прямоугольной формы таким образом, чтобы часть входящего света проходила через более длинную часть прямоугольника, а еще часть — через более короткую. При прохождении большего расстояния угол отклонения света увеличивался. Таким образом, в зависимости от того, прошел ли свет через более длинную или более короткую часть прямоугольных наностолбиков, металинза создает изображения как далеких объектов (1,7 километра), так и близких (несколько сантиметров).

Чтобы объекты и на среднем расстоянии (несколько метров от камеры) были сфокусированными, Агравал и его коллеги использовали нейронную сеть. Они научили программное обеспечение распознавать и исправлять дефекты, такие как размытость и цветовая аберрация.

Вдохновившись уникальным зрением существ, живших 500 млн лет назад, ученые разработали камеру с рекордной глубиной резкости — от 3 см до 1,7 км
Иллюстрация того, как металинза одновременно фокусируется как на объекте вблизи (кролик), так и вдали (дерево). Фото: S. Kelley/NIST

Завантаження коментарів...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: