Som alla som är intresserade av fotografering vet, för att få funktioner som en kraftfull zoom, du behöver vanligtvis en stor kamera. Anledningen är att de flesta kameror är beroende av brytning, varigenom ljuset som passerar genom linserna saktar ner och ändrar riktning. Att fokusera detta brytade ljus kräver en viss mängd utrymme.

En lovande väg till mindre, kraftfulla kameror inbyggda i smartphones och andra enheter är att designa optiska element som manipulerar ljus genom diffraktion-böjning av ljus runt hinder eller genom små luckor-istället för brytning.

Wolfgang Heidrich och medarbetare vid KAUSTs Visual Computing Center och University of British Columbia (UBC) i Kanada ligger i framkant när det gäller att utveckla nya diffraktiva optiska element (DOE) som kan skrivas ut på små, tunna underlag. Teamet kombinerar sina noggrant designade DOE:er med avancerade beräkningstekniker som kraftigt kan förbättra bilderna som produceras av så små optiska enheter.

Heidrich kom till KAUST 2014 från UBC, där han tidigare utvecklat displayer med mycket hög kontrast för tv -apparater.

"Vi utvecklade den första konsumentklara displaytekniken som hade en stor beräkningskomponent, i den meningen att själva hårdvaran inte var användbar utan betydande beräkning, "säger han." Målbilden skickas till enheten, och sedan skulle enheten behöva utföra några ganska sofistikerade algoritmer på bilden (i realtid!) för att producera den bästa bildkontrasten. Det väckte verkligen behovet av co-design av hårdvara och mjukvara, där du utvecklar optik, elektronik och algoritmer samtidigt så att de passar ihop på bästa möjliga sätt. "

På senare tid, Heidrich och medarbetare har tillämpat samma tillvägagångssätt för beräkningsavbildning för kameror. Ett stort problem de tar upp, kallas kromatisk aberration, kommer att vara bekant för alla som har lekt med triangulära prismor för att producera en regnbåge - olika våglängder ändrar riktning med varierande mängder när de bryts av linser, vilket resulterar i felaktiga färgfördelningar i bilder.

Kromatisk aberration är ett ännu större problem när ljus manipuleras genom diffraktion, så DOEs tappar en färgförlust och suddighet som beror på färgfördelningen av det inkommande ljuset. För att bekämpa detta, Heidrich och hans medarbetare designade en tunn, lättvikt DOE kallade en diffraktiv achromat för att balansera fokuseringsbidragen för olika våglängder1. Deras resultat från att testa denna innovativa nya komponent publicerades i ACM Transactions on Graphics, den bästa tidskriftsdestinationen för datorgrafikstudier.

"I ett vanligt DOE -objektiv, fokus kommer att vara nästan perfekt för en enda designvåglängd, och gradvis suddig när du går bort från designvåglängden, "förklarar Heidrich." Den diffraktiva achromat offrar lite skärpa för designvåglängden i utbyte mot mer skärpa vid alla andra våglängder. Eventuell kvarvarande oskärpa kan sedan tas bort beräkningsmässigt. "

Forskarna tillämpade samma kombination av banbrytande optik med datoralgoritmer i en ny studie som publicerades i Vetenskapliga rapporter som kan leda till extremt små zoomobjektiv2. De använde beräkningsalgoritmer för att designa två DOE:er med särskilda former, så att när de placeras ovanpå varandra, de representerar en diffraktiv lins med en specifik brännvidd.

Sedan kommer den smartaste biten.

"När du roterar de två DOE:erna i förhållande till varandra, brännvidden, eller någon annan parameter i det optiska systemet, kan förändras smidigt, "säger Heidrich." En uppenbar applikation är att producera zoomobjektiv som inte kräver att linsröret rör sig in och ut ur kameran för att zooma. "

Heidrich anser att den aktiva forskningsmiljön på KAUST har varit ovärderlig för att kunna fortsätta sina senaste mål. "Jag har kunnat sätta ihop ett tvärvetenskapligt team, för mer ambitiösa projekt som tar vår design av hårdvara och mjukvara till nästa nivå, " säger han. "Och vad mer, alla våra diffraktiva optiska element byggdes i KAUST Nanofabrication Core Lab, vilket möjliggjorde snabba väntetider för experiment. "

Datavisning är fortfarande i sin linda, och ger många vägar som Heidrich och hans medarbetare hoppas kunna utforska under kommande år. Kanske mest spännande, eftersom DOE är så tunna, de tar inte upp mycket energi från ljus när det passerar igenom. Detta innebär att DOEs kan, i princip, användas för att manipulera någon del av det elektromagnetiska spektrumet, från radiovågor till gammastrålar.