Крошечные снимки линз из метаматериала. Негабаритные изображения.

Используя физику искажения света, которая делает возможными «плащи-невидимки», ученые разработали небольшую и легкую камеру, которая может делать фотографии не хуже или лучше, чем коммерческие цифровые камеры, объем которых более чем в 100 раз больше, для потенциального использования в смартфоны и другие портативные устройства, показывает новое исследование.

Современные камеры обычно имеют несколько объективов, которые помогают им снимать высококачественные изображения, но при этом делают камеры большими и тяжелыми. Из-за этого объема камеры высокого класса не могут быть легко интегрированы в мобильные устройства, такие как смартфоны, дроны и видеооборудование.

Новое однообъективное устройство делало снимки с разрешением, сравнимым с профессиональной камерой Sony, занимая объем, составляющий менее одного процента оптики Sony.

Чтобы миниатюризировать камеры, ученые все чаще исследуют плоскую оптику, состоящую из метаструктур — материалов, структура которых содержит повторяющиеся узоры в масштабах, меньших, чем характерные длины волн того, для чего структуры предназначены для манипулирования. Оптические метаструктуры, созданные для управления электромагнитным излучением, могут преломлять свет неожиданным образом, что приводит к созданию наноразмерных плащей-невидимок и других устройств.

Еще одна стратегия, помогающая миниатюризировать камеры, — это компьютерная визуализация, при которой используется программное обеспечение для исправления любых недостатков оптических компонентов. Предыдущие исследования показали, что объединение оптики, изготовленной из метаматериалов (также известной как метаоптика), дополненной компьютерной визуализацией, потенциально может привести к созданию высококачественных изображений с использованием оптики толщиной всего в несколько микрометров.

Основная проблема, когда дело доходит до разработки метаоптики, — это чрезвычайные трудности, с которыми сталкиваются исследователи при вычислительном моделировании сложных взаимодействий между светом и всеми оптическими компонентами. Это означает, что, хотя метаоптика теоретически имеет большой потенциал, метаоптические материалы, которые в конечном итоге производят ученые, часто обеспечивают значительно худшее качество изображения, чем традиционные оптические методы, говорит соавтор исследования Карен Егиазарян из Университета Тампере в Финляндии.

В новом исследовании исследователи изучили стратегию «аппаратного обеспечения в цикле», в рамках которой они проводили эксперименты с использованием реальных линз и датчиков вместо компьютерного моделирования того, как эти компоненты могут вести себя. Исследователи отмечают, что это помогло резко снизить требования к обработке данных при разработке метаоптики, по крайней мере, в сто раз, а потребности в памяти, по крайней мере, в десять раз.

Получившаяся гибридная метаоптика состояла из стандартной преломляющей линзы толщиной 4,5 миллиметра, покрытой кварцевой метаоптической пленкой толщиной 500 микрон, покрытой квадратными столбиками из нитрида кремния высотой 700 нанометров. В экспериментах ученые использовали гибридную метаоптику и методы компьютерной визуализации для захвата фотографий изображений на расстоянии от 0,5 до 1,8 метра.

По словам исследователей, новое однообъективное устройство делало полноцветные снимки, качество которых было таким же хорошим или даже лучше, чем у коммерческой беззеркальной камеры Sony Alpha 1 III с составным объективом Sony SEL85F18.

«Эта методология «аппаратное обеспечение в цикле» способна производить оптику лучшего качества по сравнению с самой современной», — говорит соавтор исследования Владимир Катковник, также из Университета Тампере.

При этом новое устройство занимало менее 1 процента объема системы Sony.

«Я считаю, что наиболее эффективным применением на данный момент является разработка нового поколения индивидуальных камер для смартфонов», — говорит ведущий автор исследования Сэмюэл Пинилла из Совета по науке и технологиям в Харвелле, Англия. «Мы также заинтересованы в биомедицинских приложениях». По словам Егиазаряна, будущие исследования могут также изучить применения метаоптики, такие как гиперспектральная визуализация и классификация изображений.

Гибридная метаоптика нового устройства имела ширину всего 5 мм. Исследователи предполагают, что в будущем они смогут разработать еще более широкую метаоптику, которая будет собирать больше света и обеспечивать более высокое качество изображения. Однако изготовление такой оптики «все еще является развивающейся областью, и для успешной реализации данной конструкции необходимы новые прорывы», - говорит соавтор исследования Игорь Шевкунов из Тампере.