«Многие полезные сигналы, такие как тепловые и молекулярные отпечатки пальцев, находятся в среднем инфракрасном диапазоне, но камеры, работающие в этом диапазоне длин волн, часто шумные, дорогие или требуют охлаждения, — сказал Цзэн Хэпин из Восточно-Китайского педагогического университета, руководитель научной группы. — Более того, традиционные системы с линзами имеют ограниченную глубину резкости и требуют тщательного проектирования для минимизации оптических искажений. Мы разработали высокочувствительный безлинзовый подход, который обеспечивает значительно большую глубину резкости и поле зрения, чем другие системы».
В журнале Optica ученые описали свой метод. Он основан на крошечном «оптическом точечном отверстии» внутри нелинейного кристалла, которое также преобразует инфракрасное изображение в видимое. При помощи этой установки они получили четкие изображения в среднем инфракрасном диапазоне с глубиной резкости более 35 см и полем зрения более 6 см. Также они смогли использовать эту систему для получения трехмерных изображений, пишет Science Daily.
Получение изображения методом «пинхол», или камеры-обскуры — один из древнейших способов, впервые описанный китайским философом Мо Ди в IV веке до н. э. В отличие от линз, изображения, созданные таким образом, лишены искажений, что позволяет обеспечить бесконечную глубину резкости и работу в широком диапазоне длин волн.
Чтобы реализовать эти преимущества в современной системе инфракрасной визуализации, исследователи использовали мощный лазер для формирования оптического отверстия, или искусственной апертуры, внутри нелинейного кристалла. Благодаря особым оптическим свойствам кристалл преобразует инфракрасное изображение в видимое, что позволяет стандартной кремниевой камере зафиксировать его.
По словам ученых, ключом к достижению широкого поля зрения стала разработка кристалла, способного принимать световые лучи с широкого диапазона направлений. Кроме того, метод детектирования с преобразованием частоты естественным образом подавляет шум, что позволяет работать даже в условиях очень низкой освещенности.
Выяснив, что оптическая диафрагма радиусом около 0,20 мм обеспечивает четкую передачу деталей, исследователи использовали этот размер диафрагмы для получения изображений объектов, находящихся на расстоянии 11 см, 15 см и 19 см. На всех расстояниях им удалось получить четкие изображения в среднем инфракрасном диапазоне с длиной волны 3,07 мкм, что подтвердило широкий диапазон глубин. Также они получили достаточно четкие изображения объектов, расположенных на расстоянии 35 см.
Затем исследователи использовали свою установку для двух типов 3D-визуализации: 3D-времяпролетной визуализации и двухкадровой глубинной визуализации. В обоих случаях результаты оказались крайне многообещающими.
Ученые подчеркивают, что созданный ими метод остается пока экспериментальным и требует относительно сложной и громоздкой лазерной установки. Однако по мере разработки новых нелинейных материалов и интегрированных источников света эта технология должна стать гораздо более компактной и простой в использовании.
Лабораторные микроскопы стоят довольно дорого, но шотландским инженерам удалось в несколько раз снизить стоимость благодаря аддитивной печати, магазинной видеокамере и процессору Raspberry Pi, но в первую очередь — благодаря напечатанным пластиковым линзам, способным увеличивать изображение до клеточного уровня. Вдобавок микроскоп получился значительно более легким, чем традиционные аналоги.
