Вдохновленные сложными глазами одного из видов трилобитов, исследователи из NIST разработали металинзу, которая может одновременно отображать объекты как вблизи, так и вдали. На этой иллюстрации показано строение хрусталика вымершего трилобита. Кредит: НИСТ

Пятьсот миллионов лет назад океаны кишели триллионами трилобитов — существ, которые были дальними родственниками мечехвостов. У всех трилобитов был широкий диапазон зрения благодаря сложным глазам — одиночным глазам, состоящим из десятков или тысяч крошечных независимых единиц, каждая из которых имеет собственную роговицу, хрусталик и светочувствительные клетки. Но одна группа, Dalmanitina socialis, была исключительно дальновидна. Их бифокальные глаза, каждый из которых установлен на стебельке и состоит из двух линз, преломляющих свет под разными углами, позволяли этим морским существам одновременно видеть плавающую поблизости добычу и дальних врагов, приближающихся с расстояния более километра.

Вдохновленные глазами Dalmanitina socialis, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали миниатюрную камеру с бифокальным объективом и рекордной глубиной резкости — расстоянием, на котором камера может создавать четкие изображения в одно фото. Камера может одновременно отображать объекты на расстоянии до 3 сантиметров и до 1,7 километра. Они разработали компьютерный алгоритм для исправления аберраций, повышения резкости объектов на промежуточных расстояниях между этими ближним и дальним фокусным расстоянием и создания окончательного изображения с полной фокусировкой, охватывающего эту огромную глубину резкости.

Такие легкие камеры с большой глубиной резкости, которые объединяют фотонные технологии в нанометровом масштабе с фотографией, управляемой программным обеспечением, обещают революционизировать будущие системы обработки изображений с высоким разрешением. В частности, камеры значительно повысят возможности создания высокодетализированных изображений городских пейзажей, групп организмов, занимающих большое поле зрения, и других фотографических приложений, в которых необходимо четко сфокусировать как ближние, так и дальние объекты.

Изображение наностолбиков оксида титана, из которых состоит металинза, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Масштаб составляет 500 нанометров (нм). Кредит: НИСТ

Исследователи NIST Амит Агравал и Анри Лезек вместе со своими коллегами из Мэрилендского университета в Колледж-Парке и Нанкинского университета описывают свою работу онлайн в выпуске Nature Communications от 19 апреля.

Исследователи изготовили набор крошечных линз, известных как металинзы. Это ультратонкие пленки с выгравированными или отпечатанными группами наноразмерных столбиков, специально предназначенных для манипулирования светом определенным образом. Чтобы разработать свои металинзы, Агравал и его коллеги усеяли плоскую поверхность стекла миллионами крошечных прямоугольных столбиков нанометрового размера. Форма и ориентация составляющих наностолбиков фокусировали свет таким образом, что метаповерхность одновременно действовала как макролинза (для близких объектов) и телеобъектив (для удаленных).

В частности, наностолбики улавливали свет из интересующей сцены, который можно разделить на две равные части: свет с левой и правой круговой поляризацией. (Поляризация относится к направлению электрического поля световой волны; у света с левой круговой поляризацией электрическое поле вращается против часовой стрелки, а у света с правой круговой поляризацией электрическое поле вращается по часовой стрелке.)

Наностолбики отклоняли левый и правый свет с круговой поляризацией на разную величину, в зависимости от ориентации наностолбиков. Команда расположила наностолбы прямоугольной формы таким образом, чтобы часть входящего света проходила через более длинную часть прямоугольника, а часть — через более короткую. На более длинном пути свет должен был пройти через большее количество материала и, следовательно, больше изгибаться. Однако для более короткого пути у света было меньше материала для прохождения, и, следовательно, он меньше изгибался.

Иллюстрация того, как металинза, созданная по образцу составной линзы трилобита, одновременно фокусирует объект как вблизи (кролик), так и вдали (дерево). Предоставлено: С. Келли/NIST.

Свет, который преломляется в разной степени, попадает в другой фокус. Чем больше изгиб, тем ближе фокусируется свет. Таким образом, в зависимости от того, прошел ли свет через более длинную или более короткую часть прямоугольных наностолбиков, металинза создает изображения как удаленных объектов (1,7 км), так и близких (несколько сантиметров).

Однако без дальнейшей обработки объекты на среднем расстоянии (несколько метров от камеры) останутся несфокусированными. Агравал и его коллеги использовали нейронную сеть — компьютерный алгоритм, имитирующий нервную систему человека, — чтобы научить программное обеспечение распознавать и исправлять дефекты, такие как размытость и цветовая аберрация, в объектах, которые находились посередине между ближним и дальним фокусом металинзы. Команда протестировала свою камеру, поместив объекты разного цвета, формы и размера на разном расстоянии в интересующую сцену и применив программную коррекцию для получения конечного изображения, сфокусированного и свободного от аберраций во всем километровом диапазоне глубины резкости.

Разработанные командой металинзы повышают светосилу без ущерба для разрешения изображения. Кроме того, поскольку система автоматически корректирует аберрации, она обладает высокой устойчивостью к ошибкам, что позволяет исследователям использовать простые и легкие в изготовлении конструкции для миниатюрных линз, сказал Агравал.