Невероятная камера с самым большой глубиной резкости в мире: фантастическая четкость даже на расстоянии больше километра

В фотографии глубина резкости означает, на какой части трехмерного пространства камера может сфокусироваться одновременно. Малая глубина резкости, например, сохранит резкость объекта, но размоет большую часть переднего плана и фона. Исследователи из Национального института стандартов и технологий вдохновились древними трилобитами и создали новую камеру с самой высокой глубиной резкости за всю историю.
Невероятная камера с самым большой глубиной резкости в мире: фантастическая четкость даже на расстоянии больше километра

Наследие древних

Около полумиллиарда лет назад в океанах кишели трилобиты, дальние родственники сегодняшних мечехвостов. Их зрительные системы были довольно сложными и состояли от десятков до тысяч крошечных независимых единиц, каждая со своей собственной роговицей, хрусталиком и фоторецепторными клетками.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В частности, один трилобит, Dalmanitina socialis, привлек внимание исследователей NIST из-за своей уникальной сложной структуры глаза. Исследование окаменелостей показывает, что зрительная система этого малыша имела двухслойные линзы, и что верхние слои этих линз имели выпуклость посередине, которая создавала вторую точку фокусировки. Это означало, что Dalmanitina socialis могла фокусироваться как на добыче прямо перед собой, так и на хищниках, которые могли приближаться издалека.

Устройство глаза трилобита
Устройство глаза трилобита
NIST
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Исследовательская группа решила посмотреть, можно ли применить эту идею к камере светового поля. В то время как обычные камеры в основном принимают свет и записывают информацию о цвете и яркости по двумерной сетке, камеры светового поля гораздо сложнее и кодируют не только цвет и яркость, но и направление каждого луча света, попадающего на датчик.

Когда таким образом захватывается все световое поле, вы получаете достаточно информации, чтобы реконструировать сцену с точки зрения цвета, глубины, прозрачности, зеркальности, преломления и окклюзии, и вы можете настроить такие параметры, как фокус, глубина резкости, наклон и т. д. смещение перспективы после того, как фотография уже сделана.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Проблема до сих пор, по словам команды NIST, заключалась в увеличении глубины резкости без потери пространственного разрешения, потери информации о цвете или закрытия диафрагмы настолько, что стала проблемой скорость затвора. И именно здесь эти бифокальные трилобайтные линзы вдохновили на прорыв.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Как это устроено

NIST

Команда разработала массив металинз, плоскую стеклянную поверхность, усеянную множеством крошечных прямоугольных столбиков из наноразмерного диоксида титана. Каждая из этих колонн имела точную форму и ориентацию, чтобы манипулировать светом определенным образом.

Поляризация сыграла здесь ключевую роль — наностолбики изгибают свет по-разному, если он поляризован по левому кругу (LCP) или по кругу справа (RCP). Разная степень изгиба приводит к разным фокусным точкам, поэтому у исследователей уже было две фокусные точки для работы. Проблема заключалась в том, что один датчик мог захватить сфокусированное изображение только из одной из этих фокусных точек.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Поэтому исследователи разместили наностолбчатые металинзы так, чтобы часть света, попадающего в каждую из них, проходила через длинную сторону прямоугольника, а часть — по более короткому пути. Опять же, это искривляло свет на две разные величины и создавало две разные фокусные точки: одна фокусировалась вблизи, как макрообъектив, а другая фокусировалась на расстоянии, как телеобъектив.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Команда спроектировала и построила массив металинз 39 x 39 с ближней точкой фокусировки, установленной на расстоянии всего 3 см, и дальней точкой, установленной на расстоянии 1,7 км. Ученые также разработали алгоритм реконструкции с использованием многомасштабных сверточных нейронных сетей для исправления всех многочисленных аберраций, вносимых этими 1521 крошечными металинзами двойного назначения, особенно с учетом того, насколько сложно соблюдать жесткие производственные допуски в наномасштабе.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Результаты работы

NIST

Этот алгоритм реконструкции оказался жемчужиной. После простого процесса калибровки и обучения он смог точно определить, как и где конкретный массив металинз отклоняется от совершенства — с точки зрения хроматической аберрации, размытости и других оптических дефектов, и может внести исправления, которые затем можно легко применить к любому сделанному изображению.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Более того, несмотря на то, что две его фокусные точки находятся на расстоянии почти в два километра, алгоритм может четко реконструировать любой объект, расположенный между ними, создавая окончательное изображение, которое может иметь самую большую глубину резкости из когда-либо продемонстрированных. Объекты в трех сантиметрах от объектива будут такими же сверхъестественно четкими и резкими, как и те, что находятся далеко на горизонте.