Inspireret af forhistoriske væsner laver forskere rekordsættende linser

For fem hundrede millioner år siden vrimlede havene med billioner af trilobitter - væsner, der var fjerne fætre til hesteskokrabber. Alle trilobitter havde en bred vifte af syn, takket være sammensatte øjne – enkeltøjne bestående af titusindvis af små uafhængige enheder, hver med deres egen hornhinde, linse og lysfølsomme celler. Men en gruppe, Dalmanitina socialis, var usædvanligt fremsynet. Deres bifokale øjne, hver monteret på stilke og sammensat af to linser, der bøjede lys i forskellige vinkler, gjorde det muligt for disse havdyr på samme tid at se bytte, der flyder i nærheden, såvel som fjerne fjender, der nærmede sig mere end en kilometer væk.

Inspireret af D. socialis øjne har forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) udviklet et miniaturekamera med en bifokal linse med en rekordindstilling af dybdeskarphed - den afstand, over hvilken kameraet kan producere skarpe billeder i et enkelt foto. Kameraet kan samtidigt afbilde objekter så tæt som 3 centimeter og så langt væk som 1,7 kilometer. De udtænkte en computeralgoritme til at korrigere for aberrationer, skærpe objekter i mellemafstande mellem disse nære og fjerne brændvidder og generere et endeligt alt-i-fokus billede, der dækker denne enorme dybdeskarphed.

Sådanne lette kameraer med stor dybdeskarphed, som integrerer fotonisk teknologi på nanometerskala med softwaredrevet fotografering, lover at revolutionere fremtidige højopløselige billedbehandlingssystemer. Kameraerne ville især øge kapaciteten til at producere meget detaljerede billeder af bylandskaber, grupper af organismer, der optager et stort synsfelt og andre fotografiske applikationer, hvor både nære og fjerne objekter skal bringes i skarpt fokus.

NIST-forskere Amit Agrawal og Henri Lezec beskriver sammen med deres kolleger fra University of Maryland i College Park og Nanjing University deres arbejde online i udgaven af ​​19. april af Nature Communications .

Forskerne fremstillede en række små linser kendt som metalenses. Disse er ultratynde film ætset eller præget med grupperinger af nanoskala søjler skræddersyet til at manipulere lys på specifikke måder. For at designe deres metalenheder besatte Agrawal og hans kolleger en flad overflade af glas med millioner af små, rektangulære søjler i nanometerskala. Formen og orienteringen af ​​de konstituerende nanopiller fokuserede lyset på en sådan måde, at metaoverfladen samtidig fungerede som en makrolinse (til nærbilleder) og en telelinse (for fjerne linse).

Specifikt fangede nanopillerne lys fra en scene af interesse, som kan opdeles i to lige store dele - lys, der er venstre cirkulært polariseret og højre cirkulært polariseret. (Polarisering refererer til retningen af ​​det elektriske felt af en lysbølge; venstre cirkulært polariseret lys har et elektrisk felt, der roterer mod uret, mens højre cirkulært polariseret lys har et elektrisk felt, der roterer med uret.)

Nanopillerne bøjede det venstre og højre cirkulært polariserede lys i forskellige mængder, afhængigt af orienteringen af ​​nanopillerne. Holdet arrangerede nanopillerne, som var rektangulære, så noget af det indkommende lys skulle rejse gennem den længere del af rektanglet og noget gennem den kortere del. På den længere vej skulle lyset passere gennem mere materiale og oplevede derfor mere bøjning. For den kortere vej havde lyset dog mindre materiale at rejse og derfor mindre bøjning.

Lys, der er bøjet i forskellige mængder, bringes til et andet fokus. Jo større bøjningen er, jo tættere fokuseres lyset. På denne måde, afhængigt af om lys rejste gennem den længere eller kortere del af de rektangulære nanopiller, producerer metalens billeder af både fjerne objekter (1,7 kilometer væk) og nærliggende (et par centimeter).

Uden yderligere bearbejdning ville det dog efterlade objekter på mellemliggende afstande (adskillige meter fra kameraet) ufokuserede. Agrawal og hans kolleger brugte et neuralt netværk - en computeralgoritme, der efterligner det menneskelige nervesystem - til at lære software at genkende og korrigere for defekter såsom sløring og farveafvigelse i objekterne, der befandt sig midtvejs mellem metalens nære og fjerne fokus. Holdet testede sit kamera ved at placere objekter i forskellige farver, former og størrelser på forskellige afstande i en scene af interesse og anvende softwarekorrektion for at generere et endeligt billede, der var fokuseret og fri for aberrationer over hele kilometerområdet af dybdeskarphed.

Metalenses udviklet af teamet øger lysindsamlingsevnen uden at ofre billedopløsningen. Derudover, fordi systemet automatisk korrigerer for aberrationer, har det en høj tolerance for fejl, hvilket gør det muligt for forskere at bruge enkle, nemme at fremstille design til miniaturelinserne, sagde Agrawal. + Udforsk yderligere

Forskere skaber et miniature vidvinkelkamera med flade metalenheder

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.