500 мільйонів років тому океани кишіли трилобітами — істотами, які були далекими родичами сучасних мечохвостів. Всі трилобіти мали особливий зір завдяки складним фасетковим очам, що складаються з десятків і тисяч крихітних незалежних одиниць, кожна з яких мала власну рогівку, кришталик і світлочутливі клітини. Вид Dalmanitina socialis мав виняткову далекозорість. Їхні біфокальні очі, кожне з яких було на стеблинці і складалося з двох лінз, що переломлюють світло під різними кутами, дозволяли цим істотам одночасно бачити плаваюсу поряд здобич і ворогів на відстані більше кілометра.
Отримавши натхнення від оптичної структури біфокальних очей трилобітів Dalmanitina socialis, вчені Національного інституту стандартів та технологій США (NIST) розробили мініатюрну камеру формування зображень у світловому полі з надзвичайною глибиною різкості — відстанню, на якій вона може створювати чіткі зображення. Камера виявилася здатною відображати об’єкти на відстані від 3 сантиметрів до 1,7 кілометра.
Вони також розробили комп’ютерний алгоритм на основі згорткової нейронної мережі для виправлення аберацій, підвищення різкості об’єктів на проміжних між ближньою та дальньою фокусними відстанями та створення остаточного зображення з повним фокусуванням, що охоплює цю величезну глибину різкості.
Подібні легкі камери з великою глибиною різкості, що поєднують фотонні технології в нанометровому масштабі з фотографією під керуванням програмного забезпечення, обіцяють революцію в майбутніх системах обробки зображень з високою роздільною здатністю. Робота вчених NIST Аміта Агравала та Анрі Лезека, а також їхніх колег з Мерілендського університету в Коледж-Парку та Нанкінського університету описана в журналі Nature Communications.
Дослідники виготовили набір крихітних лінз — металінзи. Агравал та його колеги розмістили на пласкій поверхні скла мільйони крихітних прямокутних стовпчиків нанометрового розміру. Форма та розміщення наностовпчиків фокусували світло таким чином, що метаповерхня одночасно діяла як макролінза (для близьких об’єктів) та телеоб’єктив (для далеких). Наностовпчики вловлювали світло так, що його можна розділити на дві рівні частини: світло з лівою та правою круговою поляризацією (у світла з лівою круговою поляризацією електричне поле обертається проти годинникової стрілки, а у світла з правою круговою поляризацією електричне поле обертається за годинниковою стрілкою.) Наностовбчики відхиляли світло з лівою або правою круговою поляризацією на різну величину, залежно від орієнтації.
Команда розташувала наностовпи прямокутної форми таким чином, щоб частина вхідного світла проходила через довшу частину прямокутника, а ще частина — через більш коротку. При проходженні більшої відстані кут відхилення світла зростав. Таким чином, залежно від того, чи пройшло світло через довшу або коротшу частину прямокутних наностовпчиків, металінза створює зображення як далеких об’єктів (1,7 кілометра), так і близьких (кілька сантиметрів).
Щоб об’єкти і на середній відстані (кілька метрів від камери) були сфокусовані, Агравал та його колеги використали нейронну мережу. Вони навчили програмне забезпечення розпізнавати та виправляти дефекти, такі як розмитість та аберація кольорів.
