Neue Lichtfeldkamera

Eine neue nanophotonische Lichtfeldkamera, die auf dem Auge eines Meerestiers aus dem Kambrium basiert, kann Makro- und Teleobjektivvergrößerung in einem Objektiv mit unbegrenzter Schärfentiefe kombinieren.

Inspiriert von der optischen Struktur eines Meerestiers aus dem Kambrium, das Dalmanitina socialis Trilobiten haben Forscher eine Kamera entwickelt, die gleichzeitig auf die Nähe und die Ferne fokussieren kann. Die nanophotonische Lichtfeldkamera basiert auf einem bifokalen Metalllinsen-Array, das hochauflösende Lichtfeldbilder mit einer Schärfentiefe von der Zentimeter- bis zur Kilometerskala aufnehmen kann.

Wissenschaftler glauben, dass die große Schärfentiefe der Dalmanitina socialis ermöglichte es, sich gleichzeitig auf Beute in der Nähe und weit entfernte Raubtiere zu konzentrieren.

Wie ein Metalens funktioniert

„Nach unserem besten Wissen ist diese Art von Facettenauge-Sehsystem einzigartig Dalmanitina socialisund steht im Gegensatz zu dem einzigen fokalen Sehsystem, das in allen bekannten lebenden Arthropoden vorhanden ist, die heute existieren“, sagen die Forscher in ihrem Artikel kürzlich erschienen in Naturkommunikation.

Metalens und Kamera

Mit Metalens-Technologie

Die Forscher nutzten eine Metalens, eine Flachlinsentechnologie, die Licht über sogenannte Metaoberflächen bündelt. Optische Metaoberflächen arbeiten auf der Subwellenlängenebene und verwenden kleine Nanostrukturen, um Licht zu streuen, anstelle der herkömmlichen Lichtbrechung und -ausbreitung, die bei Glasoptiken beobachtet wird. Diese Nanostrukturen fangen Licht mit unerhörter Genauigkeit ein und geben es wieder ab, da sie in der Lage sind, Phase, Spektrum, Polarisation und Modalität des Lichts zu definieren.

In Anlehnung an die beneidenswerte Vision des alten Trilobiten ordneten die Forscher Millionen von Nanosäulen in einer parallelen Anordnung an, die jeweils senkrecht auf das Objekt und den Sensor zeigten. Die Nanosäulen messen ein Zweihundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haares, aber die Forscher haben es geschafft, jede einzelne so zu formen, zu dimensionieren und anzuordnen, dass sie Licht durch verschiedene Bereiche der Linse sendet.

Diese Nanosäulen beugen das Licht so, dass nahe und ferne Objekte auf einer einzigen Ebene, dh dem Sensor der Kamera, fokussiert erscheinen. Das Licht trifft tatsächlich auf zwei separate Brennpunkte und sorgt so für eine unglaubliche Schärfentiefe.

Metalens und Schärfentiefe

Die Forscher arrangierten dann mehrere Metalllinsen, um eine Serie von Tausenden von Fotos zusammenzustellen, was der High-Dynamic-Range-Fotografie ähnelt. Nur die nahen und fernen Objekte erschienen im Fokus, aber hier kommen Algorithmen ins Spiel und können das Bild mit einer Form künstlicher Intelligenz schärfen.

Computer spielen eine entscheidende Rolle, wenn es darum geht, nanophotonische Lichtfeldbilder zu verstehen. Ein auf neuronalen Netzwerken basierender Rekonstruktionsalgorithmus eliminiert Aberrationen, die durch die Metalens erzeugt werden. Dies entlastet dann den Leistungsdruck auf der Metaflächenoptik. Mit anderen Worten, die Metalens ist noch nicht ganz perfekt, aber Algorithmen nehmen die notwendigen Bearbeitungen vor, um alles in den Fokus zu rücken.

Zu den Anwendungen für diese neue optische Technologie gehören 3-D-Fotos und die Verfolgung von Bewegungsentfernungen. Auch die Alltagsfotografie, die optische Mikroskopie und das maschinelle Sehen werden von diesen technischen Fortschritten profitieren.

„Die hier erreichte elegante Integration der Nanophotonik-Technologie mit Computerfotografie soll die Entwicklung zukünftiger Hochleistungs-Bildgebungssysteme unterstützen“, schreiben die Forscher.


Bildnachweis: Grafik über Von Trilobiten inspirierte neurale nanophotonische Lichtfeldkamera mit extremer Schärfentiefe

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