Zoals iedereen met interesse in fotografie weet, om functies te krijgen zoals een krachtige zoom, je hebt meestal een grote camera nodig. De reden is dat de meeste camera's afhankelijk zijn van breking, waarbij het licht dat door lenzen gaat, vertraagt ​​en van richting verandert. Het focussen van dit gebroken licht vereist een bepaalde hoeveelheid ruimte.

Een kansrijke route naar kleinere, krachtige camera's ingebouwd in smartphones en andere apparaten is het ontwerpen van optische elementen die licht manipuleren door diffractie - het buigen van licht rond obstakels of door kleine openingen - in plaats van breking.

Wolfgang Heidrich en medewerkers van KAUST's Visual Computing Center en de University of British Columbia (UBC) in Canada lopen voorop bij de ontwikkeling van nieuwe diffractieve optische elementen (DOE's) die kunnen worden afgedrukt op kleine, dunne ondergronden. Het team combineert hun zorgvuldig ontworpen DOE's met geavanceerde computertechnieken die de beelden die door zulke kleine optische apparaten worden geproduceerd aanzienlijk kunnen verbeteren.

Heidrich kwam in 2014 naar KAUST vanuit UBC, waar hij eerder zeer contrastrijke displays voor televisietoestellen ontwikkelde.

"We ontwikkelden de eerste gebruiksklare displaytechnologie met een belangrijke rekencomponent, in die zin dat de hardware zelf niet bruikbaar was zonder substantiële berekening, " zegt hij. "De doelafbeelding zou naar het apparaat worden gestuurd, en dan zou het apparaat een aantal vrij geavanceerde algoritmen op het beeld moeten uitvoeren (in realtime!) om het beste beeldcontrast te produceren. Het heeft me echt de behoefte aan hardware-software co-design bijgebracht, waar je optica ontwikkelt, elektronica en algoritmen tegelijk, zodat ze zo goed mogelijk op elkaar aansluiten."

Recenter, Heidrich en collega's hebben dezelfde benadering toegepast op computationele beeldvorming voor camera's. Een groot probleem dat ze aanpakken, chromatische aberratie genoemd, zal bekend zijn bij iedereen die met driehoekige prisma's heeft gespeeld om een ​​regenboog te produceren - verschillende golflengten veranderen in verschillende mate van richting wanneer ze worden gebroken door lenzen, resulterend in onjuiste kleurverdelingen in afbeeldingen.

Chromatische aberratie is een nog groter probleem wanneer licht wordt gemanipuleerd door diffractie, dus DOE's lijden aan een verlies van kleurgetrouwheid en vervaging die afhankelijk is van de kleurverdeling van het invallende licht. Om dit tegen te gaan, Heidrich en zijn medewerkers ontwierpen een dun, lichtgewicht DOE een diffractieve achromat genoemd om de focusseringsbijdragen van verschillende golflengten in evenwicht te brengen1. Hun resultaten van het testen van dit innovatieve nieuwe onderdeel zijn gepubliceerd in ACM Transactions on Graphics, de beste tijdschriftbestemming voor computergrafische studies.

"In een gewone DOE-lens, de focus zal bijna perfect zijn voor een enkele ontwerpgolflengte, en steeds vager naarmate je verder van die ontwerpgolflengte weggaat, " legt Heidrich uit. "De diffractieve achromat offert een beetje scherpte op voor de ontwerpgolflengte in ruil voor meer scherpte op alle andere golflengten. Eventuele resterende vervaging kan dan computationeel worden verwijderd."

De onderzoekers pasten dezelfde combinatie van geavanceerde optica toe met computeralgoritmen in een recente studie gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten dat kan leiden tot extreem kleine zoomlenzen2. Ze gebruikten computationele algoritmen om twee DOE's met bepaalde vormen te ontwerpen, zodanig dat wanneer ze op elkaar worden geplaatst, ze vertegenwoordigen een diffractieve lens met een specifieke brandpuntsafstand.

Dan komt het slimste.

"Als je de twee DOE's ten opzichte van elkaar draait, de brandpuntsafstand, of een andere parameter van het optische systeem, soepel kan veranderen, "zegt Heidrich. "Een voor de hand liggende toepassing is het maken van zoomlenzen waarbij de lenscilinder niet in en uit de camera hoeft te bewegen om te zoomen."

Heidrich gelooft dat de actieve onderzoeksomgeving bij KAUST van onschatbare waarde is geweest voor het nastreven van zijn recente doelen. "Ik heb een interdisciplinair team kunnen samenstellen, voor ambitieuzere projecten die onze hardware-software co-design naar een hoger niveau tillen, "zegt hij. "Bovendien, al onze diffractieve optische elementen zijn gebouwd in het KAUST Nanofabrication Core Lab, die snelle doorlooptijden voor experimenten mogelijk maakte."

Computational imaging staat nog in de kinderschoenen en biedt vele wegen die Heidrich en zijn collega's de komende jaren hopen te verkennen. Misschien wel het meest opwindende, omdat DOE's zo dun zijn, ze absorberen niet veel energie van licht als het er doorheen gaat. Dit betekent dat DOE's, in principe, worden gebruikt om een ​​deel van het elektromagnetische spectrum te manipuleren, van radiogolven tot gammastraling.