Объектив с металинзами — теле- и макрорешение «все в одном»

Одной из областей аппаратного обеспечения, в которой сегодня проводится огромное количество исследований и разработок, является сфера систем обработки изображений. Специалисты занимаются всем от поиска лучших камер для смартфонов до передовых систем обработки изображений для автономных транспортных средств.

В работе международной группы ученых, опубликованной в Nature Communications, описывается новая миниатюрная камера c рекордной глубиной резкости. Примечательно, что новая технология была вдохновлена не самым актуальным сейчас источником: доисторическими трилобитами.

В области оптической инженерии одной из самых интересных развивающихся технологий являются металинзы. Это система линз, состоящая из массивов наноструктур, известных как наноантенны, размещенных на поверхности специально изготовленной плоской линзы. 

Внутри металинзы наноантенны сконструированы таким образом, что они могут избирательно индуцировать фазу падающего света. Проще говоря, наноантенны позволяют металинзам манипулировать светом и фокусировать его особым образом, для чего в противном случае потребовались бы обычные преломляющие линзы.

У металинз есть много преимуществ по сравнению с обычными дифракционными линзами (CDL). В числе важных превосходств — меньшая толщина по сравнению с CDL, а также возможность настройки динамического изменения фокуса и масштабирование. Помимо этого, металинзы имеют больше степеней свободы, чем CDL, поскольку у их наноструктур — неограниченное количество форм. 

Благодаря этим преимуществам металинзы получили высокую оценку как потенциальный способ для миниатюризации оптических датчиков и различных устройств обработки изображений.

Новый объектив черпает вдохновение у доисторического трилобита – существа, которое могло похвастаться невероятным зрением благодаря сложным глазам, состоящим из тысяч независимых единиц.

В своем исследовании ученые стремились имитировать системы зрения определенного типа трилобитов, глаза которых состояли из двух линз, преломляющих свет под разными углами, что позволяло существу с одинаковой ясностью видеть на близких и очень дальних дистанциях.

Для этого исследователи создали миниатюрную камеру на основе массива бифокальных металинз, состоящих из миллионов наноантенн, выгравированных в плоском стекле. Эти наноантенны были сформированы и ориентированы таким образом, чтобы в равной степени фокусировать свет на близлежащих объектах и ​​искать объекты на большем расстоянии. 

Затем исследователи соединили новое оборудование для обработки изображений со специально разработанной нейронной сетью (CNN) для коррекции оптических аберраций, вызванных металинзой. CNN также служила для повышения резкости любых полученных изображений, которые появлялись на расстояниях между фокусными расстояниями бифокальной камеры.

Результатом такого сочетания нанофотонной технологии и вычислительной фотографии стала камера, способная делать высококачественные изображения, одинаково четкие на расстоянии 3 см и 1,7 км. 

Работа имеет важные последствия для области компьютерного зрения и показывает многообещающие результаты, которые возможны на стыке машинного обучения и нанофотоники.