Ученые создали прототип фотодетектора из графена, который способен регистрировать объемное изображение (правда, всего из одного пикселя). Ключевая особенность разработки — прозрачность приемника, которая позволяет объектам на разном расстоянии фокусироваться в разных областях устройства. Такой прибор может регистрировать полностью все четырехмерное световое поле в рамках одной экспозиции, пишут авторы в журнале Nature Photonics.
В основе любой системы визуализации лежит фотодетектор, то есть собственно чувствительная к свету часть. В большинстве случаев приемник оказывается двумерным, причем это справедливо как для аналоговых и цифровых камер, так и для глаз живых существ. В результате приходящий от трехмерных объектов свет регистрируется в виде проекции на поверхность детектора, из-за чего часть информации теряется. В частности, по отдельному кадру с такого приемника затруднительно узнать относительные расстояния между изображенными предметами.
В то же время полноценная информация о распределении света в пространстве (в случае присутствия лишь выпуклых объектов) может быть выражена в виде четырехмерного светового поля, в котором закодированы как яркость, так и направления лучей. Такую информацию принципиально нельзя в полном объеме зафиксировать плоским приемником, так как падающие под разными углами лучи могут вызывать один и тот же отклик на его поверхности. В результате современные камеры обладают конечной глубиной резкости, то есть на их кадрах предметы лишь в определенном диапазоне расстояний оказываются в фокусе, в то время как более близкие и более далекие объекты будут размыты.
Это ограничение можно преодолеть несколькими способами. В частности, уже были созданы пленоптические камеры, каждый кадр которых состоит из множества копий изображений, снятых под слегка разными углами. Альтернативным и ранее не осуществленным способом зафиксировать все световое поле является создание объемного детектора, в котором находящиеся на разном расстоянии предметы будут фокусироваться в различных слоях прибора. В таком случае сравнение получаемых на разных глубинах изображений позволит восстановить траектории лучей.
Американские исследователи из Мичиганского университета под руководством Теодора Норриса (Theodore Norris) создали прототип такого многослойного фотоприемника из графена — плоских структур из расположенных в форме шестиугольников атомов углерода. Разработка стала возможна благодаря свойствам данного вещества: одиночный лист графена поглощает всего около 2,3 процента света видимого диапазона, а всего пары листов достаточно для создания одного слоя детектора. В результате авторам удалось сконструировать полноценную систему, пропускающую достаточно света до находящихся позади слоев.
Ученым пришлось существенно изменить применяемые материалы. В частности, графен выращивался на прозрачном стеклянном субстрате, а не на традиционно используемых кремниевых подложках. Более того, графен использовался не только как приемник, но также как вещество токопроводящих контактов и затвора транзисторов — фактически, все функциональные элементы системы были сделаны из графена.
Созданный авторами прототип формирует изображение всего из одного пикселя, фокусное расстояние при этом составляет сто миллиметров, а два слоя однопиксельных графеновых детекторов разделены на два миллиметра. В качестве тестового изображения были получены кадры отверстия диаметром 30 микрон, находящемся на оси прибора. Исследователям удалось определить расстояние до объекта на основе сравнения интенсивностей на двух приемниках.
Полученные результаты были использованы для проведения численного симулирования работы полноценной многопиксельной камеры на такой технологии. Также были разработаны алгоритмы обработки изображений со множества слоев. Ученые отмечают, что при полноценном воплощении подобная камера может быть востребована в ряде применений. В частности, определение расстояния до объектов пригодится в робототехнике, а трехмерные изображения смогут продвинуть изучение биологических объектов, например, клеток.
Недавно четырехмерную камеру светового поля удалось реализовать при помощи массива микролинз из жидких кристаллов. Уже существуют компактные камеры глубины, но их возможности ограничены. Компания Intel представила собственную разработку в этой области, но в ней расстояние до предметов оценивает лидар. Также ученым недавно удалось создать поляризационную камеру из метаповерхностей.
Тимур Кешелава