Soczewki nowej generacji w obrazowaniu pełnobarwnym

Fot. Pixabay, CC0

Soczewki odgrywają niezwykle ważną rolę w nauce i fotografii. Jednak te stosowane dzisiaj są zbyt masywne, a najnowsze technologie, takie jak ultracienkie aparaty fotograficzne czy mikroskopijne mikroskopy, wymagają soczewek wykonanych z zupełnie nowych materiałów. Naukowcy z University of Washington połączyli dwie różne metody obrazowania, aby nadążyć za postępem.

Zespół badaczy z Waszyngtonu połączył specjalny rodzaj soczewki zaprojektowanej do interakcji w nanoskali z falami świetlnymi z przetwarzaniem obliczeniowym. Ta ultracienka struktura należy do materiałów znanych jako metapowierzchnie, które są 2-D analogami metamateriałów, a te z kolei mają właściwości fizyczne i chemiczne, które normalnie nie występują w przyrodzie.

Metasoczewki składają się z powtarzających się tablic struktur o skali nanometrowej. Jeśli się je odpowiednio rozmieści, mogą współdziałać z poszczególnymi falami świetlnymi z precyzją, której tradycyjne obiektywy nie posiadają. Zajmują też o wiele mniej miejsca.

Główny autor w dziedzinie elektrotechniki Shane Colburn, powiedział, że zarówno zaletą, jak i wadą tych soczewek jest fakt, że działają tylko dla danej długości światła, w najlepszym razie z zakresem wahań 60 nm. W związku z tym dzisiejsze aparaty generują zazwyczaj dokładne obrazy w wąskim, optymalnym zakresie - takim jak obraz całkowicie zielony lub obraz w całości czerwony.

W związku z tym skonstruowali metalowe części, których powierzchnia była pokryta małymi, nanometrowymi kolumnami azotku krzemu. Kolumny te były wystarczająco małe, aby załamywać światło w całym widmie wizualnym, które obejmuje długości fal od 400 do 700 nanometrów. Rozmieszczono je tak, aby miały "spektralnie niezmienną funkcję rozprzestrzeniania się punktu". Dzięki temu dla całego widma obraz będzie zawierał aberracje, które można opisać za pomocą tego samego typu formuły matematycznej. To z kolei pozwoliłoby skorygować aberracje.

Następnie przeprowadzili eksperyment polegający na porównywaniu dwóch obrazów. Standardową miarą jakości obrazu jest "podobieństwo strukturalne" - metryka opisująca, jak dobrze dwa obrazy tej samej sceny dzielą jasność, strukturę i kontrast. Zasada jest taka, że im większe są aberracje chromatyczne na jednym, tym mniejsze jest jego strukturalne podobieństwo do drugiego. Zespół z UW odkrył, że gdy stosowali konwencjonalne metale, uzyskali wynik 74,8 % porównując czerwone i niebieskie obrazy tego samego wzoru. Gdy zastosowali nowe konstrukcje z metamateriałów i przetwarzanie obliczeniowe podobieństwo wzrosło do 95,6%. Trzeba także nadmienić, że całkowita grubość ich systemu obrazowania wynosi 200 mikrometrów, czyli jest ok. 2000 razy cieńszy niż obecne kamery telefonii komórkowej.

"Jest to znaczna poprawa wydajności metalów w obrazowaniu pełnobarwnym - szczególnie w celu wyeliminowania aberracji chromatycznych" - powiedział współautor Alan Zhan, doktorant w dziedzinie fizyki na UW.

(KB)