Rekordný fotoaparát udrží ostré všetko od 3 cm do 1,7 km od objektívu

Trilobity sa hemžili v oceánoch približne pred pol miliardou rokov, boli to vzdialení príbuzní dnešných krabov podkovárov atlantických. Ich zrakové systémy boli pomerne zložité, vrátane zložených očí, ktoré obsahovali desiatky až tisíce malých nezávislých jednotiek, z ktorých každá mala vlastnú rohovku, šošovku a fotoreceptorové bunky.

Jeden z trilobytov, Dalmanitina socialis, upútal pozornosť výskumníkov z NIST najmä vďaka svojej jedinečnej štruktúre zloženého oka. Skúmanie fosílnych záznamov naznačuje, že tento tvor mal v celom svojom zrakovom systéme dvojvrstvové šošovky, ktoré sa nepodobajú na nič iné v dnešnej ríši článkonožcov, a že horné vrstvy týchto šošoviek mali uprostred vypuklinu, ktorá vytvárala druhý bod zaostrenia. To znamená, že Dalmanitina socialis dokázal zaostriť na korisť priamo pred sebou aj na predátorov, ktorí sa mohli blížiť z väčšej diaľky.

Výskumný tím sa rozhodol zistiť, či by mohol tento druh myšlienky aplikovať na fotoaparát so svetelným poľom. Tam, kde bežné fotoaparáty v podstate snímajú svetlo a zaznamenávajú informácie o farbe a jase v dvojrozmernej mriežke, sú fotoaparáty svetelného poľa oveľa zložitejšie a kódujú nielen farbu a jas, ale aj smer každého svetelného lúča, ktorý vstupuje do obrazového snímača.

Keď sa takto zachytí celé svetelné pole, získate dostatok informácií na rekonštrukciu scény z hľadiska farby, hĺbky, priehľadnosti, zrkadlovosti, lomu a zákrytu a môžete upravovať veci, ako je zaostrenie, hĺbka ostrosti, náklon a perspektívny posun, keď už je fotografia zhotovená. Problémom doteraz podľa tímu z NIST bolo rozšírenie hĺbky ostrosti bez straty priestorového rozlíšenia, straty informácií o farbe alebo zatvorenia clony natoľko, že sa rýchlosť uzávierky stane problémom. A práve tu tieto bifokálne trilobitové objektívy inšpirovali k novej technológii.

Tím navrhol sústavu kovových šošoviek, plochý povrch skla posiaty množstvom drobných obdĺžnikových stĺpikov oxidu titaničitého v nanorozmeroch. Každý z týchto pilierov bol presne tvarovaný a orientovaný tak, aby manipuloval so svetlom špecifickým spôsobom.

Kľúčovú úlohu tu zohrala polarizácia - nanostĺpiky ohýbajú svetlo o rôzne hodnoty, ak je ľavotočivo kruhovo polarizované alebo pravotočivo kruhovo polarizované. Rozdielna miera ohybu vedie k inému ohniskovému bodu, takže výskumníci už mali efektívne k dispozícii dva ohniskové body, s ktorými mohli pracovať. Problém spočíval v tom, že jeden snímač mohol zachytiť zaostrený obraz len z jedného z týchto ohnísk.

Výskumníci teda umiestnili tieto kovové šošovky nanostĺpikov tak, aby časť svetla, ktoré do každej z nich vstúpilo, musela prejsť dlhšou stranou obdĺžnika a časť kratšou cestou. Opäť to ohýbalo svetlo o dve rôzne hodnoty a vytvorilo dva rôzne ohniskové body - jeden zaostrený zblízka ako makroobjektív, druhý zaostrený ďaleko v diaľke ako teleobjektív, takže medzi týmto a polarizáciou mali výskumníci k dispozícii štyri obrazy.

Ak by to do tohto bodu nebola dosť matematicky komplikované, výskumníci potom prišli na presnú geometriu kovových šošoviek, ktorá spôsobila, že ľavá kruhová polarizovaná verzia svetelných lúčov zaostrených teleobjektívom sa zaostrila na presne rovnakú rovinu ako pravá kruhová polarizovaná verzia svetelných lúčov zaostrených makroobjektívom. To umožnilo, aby sa obidve zaznamenali súčasne, ostro, jediným snímačom svetelného poľa, a to bez straty priestorového rozlíšenia.

Tím navrhol a zostrojil sústavu 39 x 39 kovových objektívov, pričom blízky ohniskový bod bol nastavený na 3 cm a vzdialený ohniskový bod na 1,7 km. A navrhol a nakódoval rekonštrukčný algoritmus využívajúci konvolučné neurónové siete vo viacerých mierkach na korekciu všetkých početných aberácií, ktoré spôsobuje týchto 1 521 malých dvojúčelových metašošoviek, najmä vzhľadom na to, aké ťažké je dodržať prísne výrobné tolerancie v nano mierke.

Tento rekonštrukčný algoritmus sa ukázal ako skvelý. Po jednoduchom kalibračnom procese a tréningu dokáže presne zistiť, ako a kde sa konkrétna sústava metašošoviek vzďaľuje od dokonalosti z hľadiska chromatickej aberácie, rozmazanosti a iných optických chýb, a dokáže vykonať korekcie, ktoré sa potom dajú jednoducho aplikovať na akýkoľvek zhotovený snímok.

Navyše, hoci sú dva ohniskové body od seba vzdialené viac ako kilometer, rekonštrukčný algoritmus dokáže ostro zrekonštruovať akýkoľvek predmet umiestnený medzi nimi a vytvoriť výsledný obraz, ktorý možno nastaviť tak, aby mal najväčšiu hĺbku ostrosti, aká bola kedy demonštrovaná. Objekty vzdialené od objektívu jeden a pol centimetra sú pritom rovnako jasné a ostré ako tie ďaleko na horizonte.

Rekonštrukčný algoritmus tak precízne koriguje chyby, že výskumný tím tvrdí, že fotoaparáty so svetelným poľom využívajúce túto technológiu nebudú musieť byť vyrobené s extrémnou presnosťou. To znamená, že podľa tímu by sa mali dať pomerne ľahko vyrobiť.

Ako vysvetľuje štúdia: „Tento bioinšpirovaný nanofotónový fotoaparát svetelného poľa spolu s výpočtovým postprocesingom dokáže nielen dosiahnuť plnofarebné zobrazovanie s extrémnou hĺbkou ostrosti, ale je tiež schopná eliminovať optické aberácie vyvolané metaoptikou.“

Tím sa domnieva, že táto technológia by mohla byť okrem iného užitočná v spotrebiteľskej fotografii, optickej mikroskopii a strojovom videní. No keďže ide v tejto chvíli o celkom čerstvý výskum, nedá sa očakávať, že sa táto technológia dostane v dohľadnej dobe na pulty obchodov.

Výskum je voľne prístupný v magazíne Nature Communications.