För femhundra miljoner år sedan vimlade haven av biljoner trilobiter – varelser som var avlägsna kusiner till hästskokrabbor. Alla trilobiter hade ett brett spektrum av syn, tack vare sammansatta ögon – enstaka ögon som består av tiotals till tusentals små oberoende enheter, var och en med sin egen hornhinna, lins och ljuskänsliga celler. Men en grupp, Dalmanitina socialis, var exceptionellt framsynt. Deras bifokala ögon, var och en monterad på stjälkar och sammansatta av två linser som böjde ljus i olika vinklar, gjorde det möjligt för dessa havsdjur att samtidigt se byten som flyter i närheten såväl som avlägsna fiender som närmade sig från mer än en kilometers avstånd.

Inspirerade av D. socialis ögon har forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) utvecklat en miniatyrkamera med en bifokal lins med ett rekordstort skärpedjup – det avstånd över vilket kameran kan producera skarpa bilder i ett enda foto. Kameran kan samtidigt avbilda objekt så nära som 3 centimeter och så långt bort som 1,7 kilometer. De utarbetade en datoralgoritm för att korrigera för aberrationer, skärpa objekt på mellanavstånd mellan dessa nära och avlägsna brännvidder och generera en slutlig allt-i-fokusbild som täcker detta enorma skärpedjup.

Sådana lätta kameror med stort skärpedjup, som integrerar fotonisk teknik i nanometerskala med mjukvarudriven fotografering, lovar att revolutionera framtida högupplösta bildsystem. I synnerhet skulle kamerorna avsevärt öka kapaciteten att producera mycket detaljerade bilder av stadslandskap, grupper av organismer som upptar ett stort synfält och andra fotografiska applikationer där både nära och avlägsna objekt måste ställas i skarpt fokus.

NIST-forskarna Amit Agrawal och Henri Lezec, tillsammans med sina kollegor från University of Maryland i College Park och Nanjing University, beskriver sitt arbete online i 19 april-numret av Nature Communications .

Forskarna tillverkade en rad små linser som kallas metalenses. Dessa är ultratunna filmer etsade eller präglade med grupperingar av nanoskaliga pelare som är skräddarsydda för att manipulera ljus på specifika sätt. För att designa sina metaller, beslöt Agrawal och hans kollegor en plan yta av glas med miljontals små, rektangulära pelare i nanometerskala. Formen och orienteringen av de ingående nanopelarna fokuserade ljuset på ett sådant sätt att metaytan samtidigt fungerade som en makrolins (för närbildsobjekt) och en teleobjektiv (för avlägsna sådana).

Närmare bestämt fångade nanopelarna ljus från en scen av intresse, som kan delas upp i två lika delar - ljus som lämnas cirkulärt polariserat och höger cirkulärt polariserat. (Polarisation avser riktningen för det elektriska fältet för en ljusvåg; vänster cirkulärt polariserat ljus har ett elektriskt fält som roterar moturs, medan höger cirkulärt polariserat ljus har ett elektriskt fält som roterar medurs.)

Nanopelarna böjde det vänstra och högra cirkulärt polariserade ljuset olika mycket, beroende på nanopelarnas orientering. Teamet arrangerade nanopelarna, som var rektangulära, så att en del av det inkommande ljuset fick färdas genom den längre delen av rektangeln och en del genom den kortare delen. På den längre vägen fick ljus passera genom mer material och upplevde därför mer böjning. För den kortare vägen hade ljuset dock mindre material att färdas och därför mindre böjning.

Ljus som böjs olika mycket förs till ett annat fokus. Ju större böjning, desto närmare fokuseras ljuset. På detta sätt, beroende på om ljus färdades genom den längre eller kortare delen av de rektangulära nanopelarna, producerar metalens bilder av både avlägsna objekt (1,7 kilometer bort) och närliggande (några centimeter).

Utan ytterligare bearbetning skulle det dock lämna objekt på mellanliggande avstånd (flera meter från kameran) ofokuserade. Agrawal och hans kollegor använde ett neuralt nätverk – en datoralgoritm som efterliknar det mänskliga nervsystemet – för att lära mjukvara att känna igen och korrigera för defekter som suddighet och färgaberration i objekten som fanns mitt emellan metallens nära och avlägsna fokus. Teamet testade sin kamera genom att placera objekt av olika färger, former och storlekar på olika avstånd i en scen av intresse och tillämpa mjukvarukorrigering för att generera en slutlig bild som var fokuserad och fri från aberrationer över hela kilometerintervallet av skärpedjup.

Metalenses som utvecklats av teamet ökar ljusinsamlingsförmågan utan att offra bildupplösningen. Dessutom, eftersom systemet automatiskt korrigerar för aberrationer, har det en hög tolerans för fel, vilket gör det möjligt för forskare att använda enkla, lätta att tillverka design för miniatyrlinserna, sa Agrawal. + Utforska vidare

Forskare skapar vidvinkelkamera i miniatyr med platta metaller

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.