Иллюстрация: Zewei Cai et al. / Light: Science & Application. Как стало недавно известно, ученые разработали инновационный метод формирования изображений светового поля без применения традиционного объектива. Вместо него теперь используется рассеиватель излучения, который кодирует информацию о пространственном распределении, а также направлении света. Эта информация затем декодируется из двумерного изображения. Данный подход позволяет существенно повысить как пространственное, так и угловое разрешение получаемых изображений. В будущем этот метод может преодолеть фундаментальные ограничения качества векторных изображений светового поля, присущие предыдущим поколениям аналогичных устройств. Результаты исследования опубликованы в журнале Light: Science & Application. Стандартная фотография представляет собой двумерное изображение, не способное передать угловое распределение света, падающего на сенсор. Камеры светового поля, также известные как пленоптические, предназначены для регистрации информации о пространственном расположении источников излучения и направлении распространения света.
Принцип работы камеры светового поля на основе диффузора. Zewei Cai et al. / Light: Science & Application
Такое сочетание данных открывает широкий спектр возможностей: например, на готовом изображении можно изменить дистанцию фокусировки, а также измерить расстояние до объекта. Потенциал камер светового поля уже используется в микроскопии, а также существуют коммерческие пленоптические камеры.
Для реализации всего потенциала технологии очень важно, чтобы пленоптические камеры обладали высоким угловым разрешением, но и качество двумерного изображения тоже уменьшать не хотелось бы. Однако в классическом подходе к созданию камер светового поля с помощью массива микролинз физикам приходится выбирать между хорошим пространственным и угловым разрешением, так как улучшение одной из этих характеристик приводит к ухудшению другой. В результате на выходе количество пикселей в камере на порядки превышает разрешение двумерного изображения.
Чтобы решить эту проблему, вместо большого набора линз ученые используют устройства для рассеивания света — диффузоры, которые играют роль кодировщиков двухмерных фотографий. Из последних, в свою очередь, зная параметры использованного рассеивателя, можно аналитически получить изображение исходного светового поля с высоким угловым разрешением, не жертвуя качеством двумерных снимков. Но в существующих схемах с диффузорами все еще используются линзы в составе объектива, которые вносят в систему аберрации и усложняют точное восстановление исходной картины светового поля.
Теперь Зевей Кай (Zewei Cai) из Штутгартского университета и Шэньчжэнского университета совместно с немецкими и китайскими коллегами продемонстрировали возможность создания изображений светового поля с помощью диффузора без использования объектива. Для этого авторы использовали прозрачную фазовую пластинку с сильно меняющейся в ее плоскости шириной в качестве рассеивателя света от объекта. В этом случае сенсор регистрирует псевдопроизвольные распределения излучения, идущие от каждой точки в области наблюдения. При подходящих оптических характеристиках диффузора и его заблаговременной калибровке на точечных источниках такой подход позволяет восстановить четырехмерное изображение исследуемого светового поля по двумерной картинке сенсора.
Для реализации такого восстановления физики вычислили матрицу передачи используемого диффузора, анализируя изображения набора калибровочных источников излучения. Именно эту матрицу использует алгоритм декодирования, который, благодаря неизменяемости диффузора и набору данных по шаблонным источникам, способен воссоздать полное изображение светового поля объекта по двумерному снимку сенсора. Время работы алгоритма для разных угловых разрешений составило от 10 до 30 минут, а при тестировании на реальных образцах исследователи добились пространственного разрешения в 50 микрометров.
Регистрируемое сенсором изображение (a), восстановленные изображения с разным разрешением и фокусом на различную глубину (b), карта глубины образца (c). Zewei Cai et al. / Light: Science & Application
В разработке камер светового поля участвуют не только ученые, но и крупные IT-компании: недавно Google создала камеру светового поля для съемки объемных видео. А физикам для такой камеры не всегда нужно много пикселей: к примеру, они сделали прозрачную однопиксельную пленоптическую камеру из графена.
Автор: Никита Козырев
Источник: https://nplus1.ru/
