Физики избавились от объектива в камере светового поля

Ученые сформировали изображения светового поля без использования объектива. Вместо него в схему камеры поместили рассеиватель излучения, который играл роль кодировщика информации о световом поле для ее дальнейшего восстановления по двумерному изображению. Такой подход позволил физикам повысить как пространственное, так и угловое разрешение получаемых изображений, а в будущем этот метод поможет преодолеть фундаментальные ограничения на качество векторного изображения светового поля, характерные для предыдущих поколений похожих устройств. Текст работы опубликован в журнале Light: Science & Application.

Обычная фотография представляет собой двумерное изображение, которое не может передать угловое распределение попавшего на сенсор света. Камеры светового поля (они же пленоптические), напротив, созданы для регистрации информации как о пространственном расположении источников излучения, так и о направлении распространения света. Такое сочетание открывает множество возможностей: к примеру, на готовой фотографии можно изменить дистанцию фокусировки, а по полученному изображению измерить расстояние до объекта. Потенциал камер светового поля уже используют 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.

По мнению авторов, полученные результаты важны в первую очередь как доказательство дееспособности использованного метода формирования изображения векторного поля лучей. Хоть физикам и удалось достигнуть большего разрешения в сравнении с предыдущими экспериментами, в схеме которых помимо диффузоров присутствовали и линзы, такой подход еще далек от практической реализации, но по возможностям существенно превосходит свои аналоги.

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.

Никита Козырев