Drevet til diffraktion

Som enhver med interesse for fotografering ved, for at få funktioner som en kraftig zoom, du har normalt brug for et stort kamera. Årsagen er, at de fleste kameraer er afhængige af brydning, hvorved lyset, der passerer gennem linser, bremser og ændrer retning. Fokusering af dette brydede lys kræver en vis mængde plads.

En lovende rute til mindre, kraftfulde kameraer indbygget i smartphones og andre enheder er at designe optiske elementer, der manipulerer lys ved diffraktion-bøjning af lys omkring forhindringer eller gennem små huller-i stedet for brydning.

Wolfgang Heidrich og kolleger ved KAUST's Visual Computing Center og University of British Columbia (UBC) i Canada er i spidsen for at udvikle nye diffraktive optiske elementer (DOE'er), der kan udskrives på til små, tynde underlag. Teamet kombinerer deres omhyggeligt designede DOE'er med avancerede beregningsteknikker, der i høj grad kan forbedre de billeder, der produceres af sådanne små optiske enheder.

Heidrich kom til KAUST i 2014 fra UBC, hvor han tidligere udviklede displays med meget høj kontrast til fjernsyn.

"Vi udviklede den første forbrugerparate displayteknologi, der havde en stor beregningskomponent, i den forstand, at selve hardwaren ikke var nyttig uden betydelig beregning, "siger han." Målbilledet ville blive sendt til enheden, og derefter skulle enheden udføre nogle ret sofistikerede algoritmer på billedet (i realtid!) for at producere den bedste billedkontrast. Det indskærede mig virkelig behovet for hardware-software co-design, hvor du udvikler optik, elektronik og algoritmer på samme tid, så de passer bedst muligt sammen. "

For nylig, Heidrich og kolleger har anvendt den samme tilgang til computing-billeddannelse til kameraer. Et stort problem, de løser, kaldet kromatisk aberration, vil være kendt for alle, der har leget med trekantede prismer for at producere en regnbue - forskellige bølgelængder ændrer retning med varierende mængder, når de brydes af linser, resulterer i forkerte farvefordelinger i billeder.

Kromatisk aberration er et endnu større problem, når lys manipuleres ved diffraktion, så DOE'er lider af tab af fargetroskab og sløring, der afhænger af farvefordelingen af ​​det indgående lys. For at bekæmpe dette, Heidrich og hans kolleger designede en tynd, letvægts DOE kaldte en diffraktiv achromat for at afbalancere fokuseringsbidragene fra forskellige bølgelængder1. Deres resultater fra test af denne innovative nye komponent blev offentliggjort i ACM Transactions on Graphics, den bedste tidsskriftdestination for computergrafikstudier.

"I et almindeligt DOE -objektiv, fokus vil være næsten perfekt for en enkelt designbølgelængde, og gradvist sløret, når du bevæger dig væk fra den designbølgelængde, "forklarer Heidrich." Den diffraktive achromat ofrer en lille smule skarphed for designbølgelængden i bytte for mere skarphed ved alle andre bølgelængder. Enhver resterende sløring kan derefter fjernes beregningsmæssigt. "

Forskerne anvendte den samme kombination af banebrydende optik med computeralgoritmer i en nylig undersøgelse offentliggjort i Videnskabelige rapporter der kan føre til ekstremt små zoomobjektiver2. De brugte beregningsalgoritmer til at designe to DOE'er med bestemte former, sådan, at når de placeres oven på hinanden, de repræsenterer en diffraktiv linse med en bestemt brændvidde.

Så kommer den smarteste smule.

"Når du roterer de to DOE'er i forhold til hinanden, brændvidden, eller enhver anden parameter i det optiske system, kan ændre sig problemfrit, "siger Heidrich." En oplagt anvendelse er at producere zoomobjektiver, der ikke kræver, at objektivtønderen bevæger sig ind og ud af kameraet for at zoome. "

Heidrich mener, at det aktive forskningsmiljø på KAUST har været uvurderligt for at forfølge sine nylige mål. ”Jeg har kunnet sammensætte et tværfagligt team, til mere ambitiøse projekter, der tager vores hardware-software-co-design til det næste niveau, "siger han." Hvad mere er, alle vores diffraktive optiske elementer blev bygget i KAUST Nanofabrication Core Lab, hvilket tillod hurtige vendingstider for eksperimenter. "

Computational imaging er stadig i sin vorden, og giver mange veje, som Heidrich og hans kolleger håber at udforske i de kommende år. Måske mest spændende, fordi DOE'er er så tynde, de absorberer ikke meget energi fra lys, når det passerer igennem. Det betyder, at DOE'er kunne, i princippet, bruges til at manipulere enhver del af det elektromagnetiske spektrum, fra radiobølger til gammastråler.