Рекордната камера държи всичко на фокус между 3 см и 1,7 км

Сподели

Във фотографията дълбочината на полето се отнася до това колко от триизмерното пространство може да фокусира камерата наведнъж. Малка дълбочина на рязкост, например, ще запази обекта остър, но ще замъгли голяма част от предния план и фона. Сега изследователи от Националния институт по стандарти и технологии са почерпили вдъхновение от древни трилобайти, за да демонстрират нова камера със светлинно поле с най-дълбоката дълбочина на полето, записана някога.

Преди около половин милиард години трилобайти се рояха в океаните, далечни братовчеди на днешните раци подкова. Техните зрителни системи бяха доста сложни, включително сложни очи, включващи някъде между десетки и хиляди малки независими единици, всяка със собствена роговица, леща и фоторецепторни клетки.

По-специално един трилобайт, Dalmanitina socialis, привлече вниманието на изследователите от NIST поради уникалната си сложна структура на очите. Изследването на фосилните записи показва, че този малък човек е имал двуслойни лещи в цялата си зрителна система, за разлика от всичко друго в днешното царство на членестоноги, и че горните слоеве на тези лещи са имали издутина в средата, която създава втора точка на фокус. Това означаваше, че Dalmanitina socialis е в състояние да се съсредоточи както върху плячката точно пред нея, така и върху хищниците, които може да се приближават от по-далеч.

Изпъкналостта в горната леща на очите на древния вид трилобайт му дава възможност да се фокусира върху близки и далечни точки едновременно

NIST

Изследователският екип реши да види дали може да приложи този вид идея към камера за светлинно поле. Когато обикновените камери основно приемат светлината и записват информация за цвета и осветеността в двуизмерна мрежа, камерите със светлинно поле са много по-сложни, като кодират не само цвета и яркостта, но и посоката на всеки лъч светлина, който влиза в сензора.

Когато цялото светлинно поле е уловено по този начин, в крайна сметка получавате достатъчно информация, за да реконструирате сцената по отношение на цвят, дълбочина, прозрачност, огледалност, пречупване и оклузия и можете да регулирате неща като фокус, дълбочина на полето, наклон и промяна на перспективата, след като снимката вече е направена.

Проблемът досега, според екипа на NIST, е разширяването на дълбочината на рязкост без загуба на пространствена разделителна способност, или загуба на информация за цветовете, или затваряне на блендата толкова много, че скоростта на затвора се превръща в проблем. И точно тук тези бифокални трилобайтови лещи вдъхновиха пробив.

Отляво: изображение на оптичен микроскоп на секция 3x3 от изработения метален масив.  Вдясно: изображения от сканираща електронна микроскопия, показващи отгоре надолу и наклонени изгледи на прецизно оформените и позиционирани наностълби от титанов диоксид
Отляво: изображение на оптичен микроскоп на секция 3×3 от изработения метален масив. Вдясно: изображения от сканираща електронна микроскопия, показващи отгоре надолу и наклонени изгледи на прецизно оформените и позиционирани наностълби от титанов диоксид

NIST

Екипът е проектирал набор от металензи, плоска повърхност от стъкло, осеяна с куп малки, правоъгълни, наномащабни стълбове от титанов диоксид. Всеки от тези стълбове беше точно оформен и ориентиран да манипулира светлината по специфични начини.

Поляризацията играе ключова роля тук – наностълбите огъват светлината в различни количества, ако тя е лява кръгова поляризирана (LCP) или дясна кръгова поляризирана (RCP). Различното количество огъване води до различна фокусна точка, така че изследователите вече ефективно имаха две фокусни точки, с които да работят. Проблемът беше, че един сензор можеше да улови само фокусирано изображение от една от тези фокусни точки.

Така изследователите позиционираха тези наностълбови металензи, за да се уверят, че част от светлината, която влиза във всеки от тях, трябва да премине през дългата страна на правоъгълника, а друга по по-късия път. Отново това огъна светлината с две различни количества и създаде две различни фокусни точки – едната беше фокусирана отблизо като макро обектив, другата фокусираше далече като телеобектив, така че между това и поляризацията изследователите имаха четири изображения, с които да се справите.

Две фокусни разстояния, определени чрез кръгова поляризация, и още две, определени чрез оформяне на метален, се съпоставят така, че близките и далечните фокусни точки могат да се сближат в една и съща равнина на изображение
Две фокусни разстояния, определени чрез кръгова поляризация, и още две, определени чрез оформяне на метален, се съпоставят така, че близките и далечните фокусни точки могат да се сближат в една и съща равнина на изображение

NIST

Ако математиката не беше достатъчно луда до този момент, изследователите измислиха точни геометрии на метален, които накараха лявата кръгла поляризирана версия на телефотофокусираните светлинни лъчи да се фокусира точно в същата равнина като дясната кръгово поляризирана версия на макроса -фокусирани светлинни лъчи, позволяващи и двете да бъдат записани едновременно, с остър фокус, от един сензор за светлинно поле – без загуба на никаква пространствена разделителна способност.

Екипът проектира и изгради метален масив 39 x 39, като близката фокусна точка е настроена само на 3 см (1,2 инча), а далечната точка е на 1,7 км (малко над миля). И проектира и кодира алгоритъм за реконструкция, използвайки многомащабни конволюционни невронни мрежи, за да коригира всички многобройни аберации, въведени от тези 1521 малки металензи с двойно предназначение, особено като се има предвид колко трудно е да се поддържат строги производствени толеранси в наномащаба.

Този алгоритъм за реконструкция се оказа скъпоценен камък. След прост процес на калибриране и тренировъчна сесия, той може да разбере точно как и къде конкретен метален масив се отклонява от съвършенството – по отношение на хроматична аберация, замъгляване и други оптични дефекти, и може да прави корекции, които след това могат лесно да бъдат приложени към всяко направено изображение.

Конволюционната невронна мрежа бързо се обучава да коригира аберациите в масива от лещи и след това може да създава напълно остри изображения с изключително променлива дълбочина на полето
Конволюционната невронна мрежа бързо се обучава да коригира аберациите в масива от лещи и след това може да създава напълно остри изображения с изключително променлива дълбочина на полето

NIST

Нещо повече, докато двете му фокусни точки са на повече от една миля една от друга, алгоритъмът за реконструкция може рязко да реконструира всеки елемент, поставен между тях, създавайки окончателно изображение, което може да бъде настроено да има най-голямата дълбочина на полето, демонстрирана някога, в която обектите са на инч и половина от обектива са толкова свръхестествено ясни и остри като онези далеч на хоризонта.

Всъщност алгоритъмът за реконструкция върши толкова страхотна работа за коригиране на грешки, че изследователският екип казва, че камерите на светлинното поле, използващи тази технология, няма да трябва да бъдат произведени с изключителна прецизност. Това означава, че екипът вярва, че трябва да бъде сравнително лесен за производство.

Както показва проучването, публикувано в Природни комуникацииобяснява: “Тази биоинспирирана нанофотонна камера със светлинно поле, заедно с изчислителната последваща обработка, не само може да постигне пълноцветно изображение с екстремна DoF, но също така е в състояние да елиминира оптичните аберации, предизвикани от метаоптиката.”

От серия подизображения, коригирани с аберации, алгоритъмът за реконструкция е в състояние да събере изображение, което е напълно рязко, от горния десен текст на NJU на 3 см до многоетажната сграда на 1,7 км разстояние
От серия подизображения, коригирани с аберации, алгоритъмът за реконструкция е в състояние да събере изображение, което е напълно рязко, от горния десен текст на NJU на 3 см до многоетажната сграда на 1,7 км разстояние

NIST

Екипът вярва, че тази технология може да бъде полезна в потребителската фотография, оптичната микроскопия и машинното зрение, наред с други области, но тъй като в този момент е доста свежо изследване, не бихме очаквали да се появи на рафтовете скоро.

Изследването е с отворен достъп в списанието Природни комуникации.

Източник: NIST



Публикациите се превеждат автоматично с google translate


Сподели