Новый тип фотосъёмки

Учёные нашли новый способ получения изображений, в которых очень высокое разрешение в любой части сцены сочетается с широким полем зрения. "Зум без зума", способный привести к появлению нового типа микроскопов, трёхмерных томографов и необычных камер, продемонстрировали в опытной установке Джейсон Флейшер (Jason Fleischer) и его коллеги из университета Принстона (Princeton University).

В обычных системах с традиционной оптикой информация о мельчайших деталях объекта съёмки теряется в несколько этапов. Мало того что количество света, собранного от всей сцены, ограничивается площадью объектива, так ещё и не весь свет, даже попавший в линзу, добирается в конце концов до регистрирующего элемента — будь то плёнка, сетчатка человеческого глаза или цифровая матрица. Часть волн теряется из-за того, что они слишком слабы или отклоняются в сторону.

Это одна из причин, по которой для получения высокого разрешения какой-либо части объекта приходится применять оптическое зумирование, жертвуя полем зрения и количеством собранного света заодно (цифровой зум в расчёт не берём — при нём информации об объекте на самом деле больше не становится).

Чтобы обойти ограничения традиционной оптики, Флейшер и его товарищи применили нелинейный кристалл. Это необычный выбор для оптического элемента фотокамеры, поскольку через такую пластину что-либо разглядеть затруднительно.

В отличие от линейной оптики в нелинейном кристалле проходящие сквозь него волны взаимодействуют друг с другом, в результате чего одни лучи исчезают, но тут же рождаются другие.

На выходе получается сильно искажённая картинка. Но она обладает одним любопытным свойством: лучи от объекта, которые сами не попадают в регистрирующую матрицу, уходя в сторону, оставляют свой "след" в лучах, которые достигают её.

Обычно нелинейную оптику применяют в опытах, где требуется изменить, к примеру, частоту лазерного излучения. Сформировать же при помощи такой "линзы" чёткое изображение чего-либо — проблема. Но Джейсон подошёл к её разрешению "не в лоб". Он и его коллеги решили записывать информацию "как есть", а потом при помощи хитроумного компьютерного алгоритма восстанавливать исходный облик предмета.

Создав модель прохождения волн через кристалл и их взаимодействия между собой, учёные из Принстона научились вычислять световое поле на любом расстоянии от объекта до камеры. Так что теперь финальное изображение оказывалось насыщено деталями как ни с какой другой системой.

При этом группа использовала два метода фиксации изображений — обычную камеру и голографическую пластинку. В последнем случае детализация могла быть ещё выше, поскольку немало информации об объекте содержалось не в яркости или цвете отдельных точек, а в фазе пришедшей волны.

Сравнение камеры с обычной оптикой (слева) и нелинейной системой Флейшера. В обоих случаях часть лучей (показаны чёрным цветом), попадающих в объектив, уходит мимо матрицы. Но во втором эти убегающие лучи взаимодействуют с соседями, порождая новые волны (красный цвет), несущие косвенную информацию о полном волновом фронте. В первом примере картинка получается напрямую, но она лишена многих деталей. Во втором её приходится вычислять по искажённому сырому изображению. Зато в финале получается высокое разрешение съёмки при сохранении полного поля зрения объектива (иллюстрации Christopher Barsi и Michele Fiaschi).

Авторы нового метода съёмки говорят, что таким способом можно получать высококачественные изображения микроскопических объектов (бактерий, живых клеток) при помощи видимого света. Причём разрешение будет едва ли не таким, которое ранее можно было получить только при помощи ультрафиолета или рентгена, губительного для объекта съёмки.

Также способ Флейшера позволит компьютеру формировать трёхмерные томографические снимки, используя данные о просвечивании организма всего с одной точки зрения вместо нескольких. А в фотолитографии, применяемой для производства микросхем, новый "фокус" со светом позволит повысить разрешение "картинки", формируемой лазером.

(Детали нового исследования можно найти в статье его авторов в Nature Photonics.)

Познакомьтесь также с камерами, которые наводят резкость уже после съёмки, почитайте о чудесах сверхфокусировки и о том, как физики провели свет сквозь непрозрачное тело, а ещё — о шестимерных снимках.