Vijfhonderd miljoen jaar geleden krioelden de oceanen van biljoenen trilobieten - wezens die verre neven waren van degenkrabben. Alle trilobieten hadden een breed gezichtsveld, dankzij samengestelde ogen - enkele ogen bestaande uit tien tot duizenden kleine onafhankelijke eenheden, elk met hun eigen hoornvlies, lens en lichtgevoelige cellen. Maar één groep, Dalmanitina socialis, was uitzonderlijk verziend. Hun bifocale ogen, elk gemonteerd op stengels en samengesteld uit twee lenzen die het licht onder verschillende hoeken buigen, stelden deze zeedieren in staat om tegelijkertijd prooien te zien die dichtbij drijven, evenals verre vijanden die van meer dan een kilometer afstand naderen.

Geïnspireerd door de ogen van D. socialis hebben onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) een miniatuurcamera ontwikkeld met een bifocale lens met een recordscherptediepte - de afstand waarover de camera scherpe beelden kan produceren in een enkele foto. De camera kan objecten tot op 3 centimeter afstand en tot 1,7 kilometer afstand tegelijkertijd in beeld brengen. Ze bedachten een computeralgoritme om aberraties te corrigeren, objecten op tussenliggende afstanden tussen deze nabije en verre brandpuntsafstanden te verscherpen en een definitief alles-in-focus beeld te genereren dat deze enorme scherptediepte dekt.

Dergelijke lichtgewicht camera's met grote scherptediepte, die fotonische technologie op nanometerschaal integreren met softwaregestuurde fotografie, beloven een revolutie teweeg te brengen in toekomstige beeldvormingssystemen met hoge resolutie. De camera's zouden met name het vermogen om zeer gedetailleerde beelden te produceren van stadsgezichten, groepen organismen die een groot gezichtsveld bezetten en andere fotografische toepassingen waarin zowel nabije als verre objecten scherp in beeld moeten worden gebracht, enorm vergroten.

NIST-onderzoekers Amit Agrawal en Henri Lezec, samen met hun collega's van de University of Maryland in College Park en Nanjing University, beschrijven hun werk online in het nummer van Nature Communications van 19 april. .

De onderzoekers vervaardigden een reeks kleine lenzen die bekend staan ​​​​als metalenses. Dit zijn ultradunne films die zijn geëtst of bedrukt met groepen pilaren op nanoschaal die zijn aangepast om licht op specifieke manieren te manipuleren. Om hun metalenses te ontwerpen, bezaaiden Agrawal en zijn collega's een plat oppervlak van glas met miljoenen kleine, rechthoekige pilaren op nanometerschaal. De vorm en oriëntatie van de samenstellende nanopilaren bundelden het licht op een zodanige manier dat het meta-oppervlak tegelijkertijd fungeerde als een macrolens (voor close-upobjecten) en een telelens (voor verre objecten).

In het bijzonder vingen de nanopilaren licht op van een interessante scène, die in twee gelijke delen kan worden verdeeld:licht dat circulair gepolariseerd blijft en rechts circulair gepolariseerd. (Polarisatie verwijst naar de richting van het elektrische veld van een lichtgolf; links circulair gepolariseerd licht heeft een elektrisch veld dat tegen de klok in draait, terwijl rechts circulair gepolariseerd licht een elektrisch veld heeft dat met de klok mee roteert.)

De nanopilaren buigen het linker en rechter circulair gepolariseerde licht in verschillende hoeveelheden, afhankelijk van de oriëntatie van de nanopilaren. Het team rangschikte de nanopilaren, die rechthoekig waren, zodat een deel van het invallende licht door het langere deel van de rechthoek moest gaan en een deel door het kortere deel. Op het langere pad moest het licht door meer materiaal gaan en ervoer dus meer buiging. Voor het kortere pad had het licht echter minder materiaal om te reizen en dus minder buigen.

Licht dat in verschillende hoeveelheden wordt gebogen, wordt op een andere focus gebracht. Hoe groter de buiging, hoe dichter het licht wordt gefocust. Op deze manier produceert de metalens, afhankelijk van of het licht door het langere of kortere deel van de rechthoekige nanopilaren reisde, beelden van zowel verre objecten (1,7 kilometer) als nabijgelegen (enkele centimeters).

Zonder verdere bewerking zouden objecten op middellange afstanden (enkele meters van de camera) echter onscherp blijven. Agrawal en zijn collega's gebruikten een neuraal netwerk - een computeralgoritme dat het menselijke zenuwstelsel nabootst - om software te leren om defecten zoals wazigheid en kleurafwijkingen te herkennen en te corrigeren in de objecten die zich halverwege de nabije en verre focus van de metalens bevonden. Het team testte zijn camera door objecten van verschillende kleuren, vormen en maten op verschillende afstanden in een interessante scène te plaatsen en softwarecorrectie toe te passen om een ​​definitief beeld te genereren dat was gefocust en vrij van aberraties over het hele kilometerbereik van de scherptediepte.

De metalenses die door het team zijn ontwikkeld, vergroten het vermogen om licht te verzamelen zonder de beeldresolutie op te offeren. Omdat het systeem automatisch aberraties corrigeert, heeft het bovendien een hoge fouttolerantie, waardoor onderzoekers eenvoudige, gemakkelijk te fabriceren ontwerpen voor de miniatuurlenzen kunnen gebruiken, zei Agrawal. + Verder verkennen

Onderzoekers maken miniatuur groothoekcamera met platte metalenses

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.