Inspiriert von prähistorischen Kreaturen stellen Forscher rekordverdächtige Objektive her

Vor 500 Millionen Jahren wimmelte es in den Ozeanen von Billionen von Trilobiten – Kreaturen, die entfernte Verwandte von Pfeilschwanzkrebsen waren. Alle Trilobiten hatten dank Facettenaugen ein weites Sichtfeld – einzelne Augen, die aus Zehntausenden winziger unabhängiger Einheiten bestanden, von denen jedes seine eigene Hornhaut, Linse und lichtempfindliche Zellen hatte. Aber eine Gruppe, Dalmanitina socialis, war außergewöhnlich weitsichtig. Ihre bifokalen Augen, die jeweils auf Stielen montiert sind und aus zwei Linsen bestehen, die das Licht in verschiedenen Winkeln brechen, ermöglichten es diesen Meeresbewohnern, gleichzeitig in der Nähe schwimmende Beute sowie entfernte Feinde zu sehen, die sich aus mehr als einem Kilometer Entfernung näherten.

Inspiriert von den Augen von D. socialis haben Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) eine Miniaturkamera mit einem bifokalen Objektiv mit einer rekordverdächtigen Schärfentiefe entwickelt – der Entfernung, über die die Kamera scharfe Bilder erzeugen kann ein einzelnes Foto. Die Kamera kann gleichzeitig Objekte in einer Entfernung von bis zu 3 Zentimetern und einer Entfernung von bis zu 1,7 Kilometern abbilden. Sie entwickelten einen Computeralgorithmus, um Aberrationen zu korrigieren, Objekte in mittleren Entfernungen zwischen diesen Nah- und Fernbrennweiten zu schärfen und ein abschließendes All-in-Focus-Bild zu erzeugen, das diese enorme Schärfentiefe abdeckt.

Solche leichten Kameras mit großer Schärfentiefe, die photonische Technologie im Nanometerbereich mit softwaregesteuerter Fotografie integrieren, versprechen, zukünftige hochauflösende Bildgebungssysteme zu revolutionieren. Insbesondere würden die Kameras die Kapazität zur Erzeugung hochdetaillierter Bilder von Stadtlandschaften, Gruppen von Organismen, die ein großes Sichtfeld einnehmen, und anderen fotografischen Anwendungen, bei denen sowohl nahe als auch ferne Objekte scharf gestellt werden müssen, erheblich steigern.

Die NIST-Forscher Amit Agrawal und Henri Lezec beschreiben zusammen mit ihren Kollegen von der University of Maryland in College Park und der Nanjing University ihre Arbeit online in der Ausgabe vom 19. April Naturkommunikation.

Die Forscher stellten eine Reihe winziger Linsen her, die als Metalllinsen bekannt sind. Dies sind ultradünne Filme, die mit Gruppierungen von Säulen im Nanomaßstab geätzt oder bedruckt sind, die darauf zugeschnitten sind, Licht auf bestimmte Weise zu manipulieren. Um ihre Metalllinsen zu entwerfen, übersäten Agrawal und seine Kollegen eine flache Glasoberfläche mit Millionen winziger, rechteckiger Säulen im Nanometerbereich. Die Form und Ausrichtung der einzelnen Nanosäulen fokussierte das Licht so, dass die Metaoberfläche gleichzeitig als Makrolinse (für nahe Objekte) und als Teleobjektiv (für entfernte Objekte) fungierte.

Insbesondere haben die Nanosäulen Licht von einer interessierenden Szene eingefangen, das in zwei gleiche Teile geteilt werden kann – Licht, das linkszirkular polarisiert und rechtszirkular polarisiert ist. (Polarisation bezieht sich auf die Richtung des elektrischen Felds einer Lichtwelle; links zirkular polarisiertes Licht hat ein elektrisches Feld, das sich gegen den Uhrzeigersinn dreht, während rechts zirkular polarisiertes Licht ein elektrisches Feld hat, das sich im Uhrzeigersinn dreht.)

Die Nanosäulen beugten das links- und rechtszirkular polarisierte Licht unterschiedlich stark, je nach Ausrichtung der Nanosäulen. Das Team ordnete die rechteckigen Nanosäulen so an, dass ein Teil des einfallenden Lichts durch den längeren Teil des Rechtecks ​​und ein Teil durch den kürzeren Teil geleitet werden musste. Auf dem längeren Weg musste das Licht mehr Material passieren und erfuhr daher eine stärkere Biegung. Für den kürzeren Weg musste das Licht jedoch weniger Material zurücklegen und sich daher weniger biegen.

Licht, das unterschiedlich stark gebeugt wird, wird in einen anderen Fokus gebracht. Je größer die Biegung, desto näher wird das Licht fokussiert. Je nachdem, ob das Licht durch den längeren oder den kürzeren Teil der rechteckigen Nanosäulen gewandert ist, erzeugt die Metalens auf diese Weise Bilder sowohl von entfernten Objekten (1,7 Kilometer entfernt) als auch von nahen (einige Zentimeter).

Ohne weitere Verarbeitung würden jedoch Objekte in mittleren Entfernungen (mehrere Meter von der Kamera entfernt) unscharf bleiben. Agrawal und seine Kollegen verwendeten ein neuronales Netzwerk – einen Computeralgorithmus, der das menschliche Nervensystem nachahmt –, um Software beizubringen, Fehler wie Unschärfe und Farbabweichungen in den Objekten zu erkennen und zu korrigieren, die sich in der Mitte zwischen dem Nah- und Fernfokus der Metalle befanden. Das Team testete seine Kamera, indem es Objekte verschiedener Farben, Formen und Größen in unterschiedlichen Entfernungen in einer interessierenden Szene platzierte und eine Softwarekorrektur anwendete, um ein endgültiges Bild zu erzeugen, das über den gesamten Kilometerbereich der Schärfentiefe fokussiert und frei von Aberrationen war.

Die vom Team entwickelten Metalenses steigern die Lichtsammelfähigkeit, ohne die Bildauflösung zu beeinträchtigen. Da das System Aberrationen automatisch korrigiert, hat es außerdem eine hohe Fehlertoleranz, was es den Forschern ermöglicht, einfache, leicht herzustellende Designs für die Miniaturlinsen zu verwenden, sagte Agrawal.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von NIST neu veröffentlicht. Lesen Sie die Originalgeschichte hier.