Máy ảnh phá kỷ lục giữ cho mọi thứ được lấy nét từ 3 cm đến 1,7 km

Trong nhiếp ảnh, độ sâu trường ảnh đề cập đến lượng không gian ba chiều mà máy ảnh có thể lấy nét cùng một lúc.

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra và thử nghiệm một máy ảnh trường ánh sáng với độ sâu trường ảnh lớn nhất từng được chứng minh, giữ mọi thứ cách ống kính từ 3 cm đến 1,7 km trong tiêu cự. Ảnh NIST

Độ sâu trường ảnh nông sẽ giữ cho đối tượng sắc nét nhưng làm mờ nhiều tiền cảnh và hậu cảnh. Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ đã lấy cảm hứng từ các trilobyte cổ đại để chứng minh một máy ảnh trường ánh sáng mới với độ sâu trường ảnh sâu nhất từng được ghi lại.

Những con ba ba tràn ngập đại dương khoảng nửa tỷ năm trước, là anh em họ xa của loài cua móng ngựa ngày nay. Hệ thống thị giác của chúng khá phức tạp, bao gồm cả mắt ghép, có bất kỳ đâu giữa hàng chục và hàng nghìn đơn vị độc lập nhỏ, mỗi đơn vị có giác mạc, thấu kính và tế bào cảm thụ ánh sáng riêng.

Đặc biệt, một chú ba ba Dalmanitina socialis, đã thu hút được sự chú ý của các nhà nghiên cứu NIST do cấu trúc mắt ghép độc đáo của nó. Kiểm tra hồ sơ hóa thạch chỉ ra rằng anh chàng nhỏ bé này có thấu kính hai lớp trong toàn bộ hệ thống thị giác của nó, không giống như bất kỳ thứ gì khác trong vương quốc động vật chân đốt ngày nay và rằng các lớp trên của những thấu kính này có một chỗ phình ra ở giữa tạo ra điểm lấy nét thứ hai. Điều đó có nghĩa là Dalmanitina socialis có thể tập trung vào cả con mồi ngay trước mặt nó và những kẻ săn mồi có thể đang tiếp cận từ xa hơn.

Sự phình ra ở thấu kính trên của mắt các loài trilobyte cổ đại giúp nó có khả năng hội tụ đồng thời các điểm gần và xa. Ảnh: NIST

Nhóm nghiên cứu quyết định xem liệu họ có thể áp dụng loại ý tưởng này vào máy ảnh trường ánh sáng hay không. Trong trường hợp các máy ảnh thông thường về cơ bản thu nhận ánh sáng và ghi lại thông tin về màu sắc và độ chói qua lưới hai chiều, máy ảnh trường ánh sáng phức tạp hơn nhiều, mã hóa không chỉ màu sắc và độ sáng mà còn cả hướng của từng tia sáng đi vào cảm biến.

Khi toàn bộ trường ánh sáng được chụp theo cách này, bạn sẽ có đủ thông tin để tái tạo lại cảnh về màu sắc, độ sâu, độ trong suốt, độ chi tiết, khúc xạ và tắc nghẽn và bạn có thể điều chỉnh những thứ như tiêu điểm, độ sâu trường ảnh, độ nghiêng và chuyển đổi phối cảnh sau khi ảnh đã được chụp.

Theo nhóm NIST, vấn đề cho đến nay là mở rộng độ sâu trường ảnh mà không làm giảm độ phân giải không gian, hoặc làm mất thông tin màu sắc, hoặc đóng khẩu độ xuống quá nhiều khiến tốc độ cửa trập trở thành một vấn đề. Và đó là nơi mà những ống kính ba tròng hai tiêu này đã tạo cảm hứng cho một bước đột phá.

Bên trái: hình ảnh kính hiển vi quang học về mặt cắt 3x3 của mảng thiên thạch được chế tạo. Bên phải: quét hình ảnh kính hiển vi điện tử hiển thị hình ảnh từ trên xuống và chế độ xem xiên của các cột nano titanium dioxide được định vị và định hình chính xác. Ảnh NIST

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một loạt các thấu kính, một bề mặt phẳng của thủy tinh được đính một loạt các trụ titanium dioxide nhỏ, hình chữ nhật, kích thước nano. Mỗi cột trụ này được tạo hình chính xác và định hướng để điều khiển ánh sáng theo những cách cụ thể.

Sự phân cực đóng một vai trò quan trọng ở đây - các cột nano bẻ cong ánh sáng bằng các lượng khác nhau nếu nó phân cực tròn trái (LCP) hoặc phân cực tròn phải (RCP). Một lượng uốn cong khác nhau dẫn đến một tiêu điểm khác, vì vậy các nhà nghiên cứu đã có hai tiêu điểm để làm việc một cách hiệu quả. Vấn đề là một cảm biến duy nhất chỉ có thể chụp ảnh được lấy nét từ một trong những tiêu điểm này.

Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã định vị các thấu kính nanopillar đó để đảm bảo rằng một số ánh sáng đi vào mỗi thấu kính phải đi qua cạnh dài của hình chữ nhật và một số đi qua đường ngắn hơn. Một lần nữa, điều này làm cong ánh sáng đi hai lượng khác nhau và tạo ra hai tiêu điểm khác nhau - một tiêu cự ở gần giống như ống kính macro, tiêu cự còn lại tập trung ở khoảng cách xa như ống kính tele, vì vậy giữa điều này và phân cực, các nhà nghiên cứu có bốn hình ảnh để đối phó.

Hai tiêu cự được xác định bằng phân cực tròn và hai tiêu cự khác được xác định bằng tạo hình metalens, được khớp với nhau sao cho các tiêu điểm gần và xa có thể hội tụ tại cùng một mặt phẳng hình ảnh. Ảnh NIST

Nếu toán học không đủ điên rồ đến mức đó, các nhà nghiên cứu sau đó đã tìm ra các dạng hình học metalens chính xác khiến phiên bản phân cực tròn bên trái của chùm ánh sáng hội tụ tele hội tụ tại cùng một mặt phẳng với phiên bản phân cực tròn bên phải của macro - chùm ánh sáng tập trung, cho phép ghi cả hai đồng thời, lấy nét sắc nét, bằng một cảm biến trường ánh sáng duy nhất - mà không làm mất bất kỳ độ phân giải không gian nào.

Nhóm đã thiết kế và xây dựng một mảng 39 x 39 metalens, với tiêu điểm gần chỉ 3 cm (1,2 in) và điểm xa đặt là 1,7 km (chỉ hơn một dặm). Và nó đã thiết kế và mã hóa một thuật toán tái tạo bằng cách sử dụng các mạng nơ-ron tích tụ đa tỷ lệ để sửa chữa tất cả các quang sai được giới thiệu bởi 1.521 thấu kính mục đích kép nhỏ đó, đặc biệt là khó khăn như thế nào để duy trì dung sai chế tạo chặt chẽ ở quy mô nano.

Thuật toán tái tạo đó hóa ra là một viên ngọc quý. Sau một quá trình hiệu chuẩn đơn giản và một buổi đào tạo, nó có thể tìm ra chính xác cách thức và vị trí mà một mảng metalens cụ thể không đạt đến sự hoàn hảo - về quang sai màu, độ mờ và các khuyết tật quang học khác, và nó có thể thực hiện các hiệu chỉnh sau đó có thể dễ dàng áp dụng đến bất kỳ hình ảnh nào được chụp.

Một mạng nơ-ron phức hợp nhanh chóng được huấn luyện để khắc phục quang sai trong mảng thấu kính và sau đó có thể tạo ra hình ảnh hoàn toàn sắc nét với độ sâu trường cực kỳ thay đổi. Ảnh NIST

Hơn nữa, trong khi hai tiêu điểm của nó cách nhau hơn một dặm, thuật toán tái tạo có thể tái tạo lại rõ ràng bất kỳ mục nào được đặt ở giữa chúng, tạo ra hình ảnh cuối cùng có thể được đặt để có độ sâu trường ảnh lớn nhất từng được chứng minh, trong đó các đối tượng inch rưỡi tính từ ống kính rõ ràng và sắc nét một cách lạ thường như ở đường chân trời.

Thật vậy, thuật toán tái tạo thực hiện một công việc tuyệt vời trong việc sửa chữa các lỗi mà nhóm nghiên cứu cho biết máy ảnh trường ánh sáng sử dụng công nghệ này sẽ không phải được chế tạo với độ chính xác cực cao. Điều đó có nghĩa là, nhóm nghiên cứu tin rằng nó sẽ tương đối dễ sản xuất.

Theo nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications, giải thích: "Máy ảnh trường ánh sáng nano âm sắc sinh học này, cùng với xử lý hậu kỳ tính toán, không chỉ có thể đạt được hình ảnh đầy đủ màu sắc với DoF cực đoan mà còn có thể loại bỏ quang sai gây ra. bằng siêu quang học. "

Từ một loạt các hình ảnh phụ đã được chỉnh sửa quang sai, thuật toán tái tạo có thể kết hợp một hình ảnh hoàn toàn sắc nét, từ văn bản NJU trên cùng bên phải ở độ cao 3 cm đến tòa nhà cao tầng cách đó 1,7 km. Ảnh NIST

Nhóm nghiên cứu tin rằng công nghệ này có thể hữu ích trong nhiếp ảnh người tiêu dùng, kính hiển vi quang học và thị giác máy, trong số các lĩnh vực khác, nhưng vì nó là nghiên cứu khá mới vào thời điểm này, đo đó, chúng ta sẽ không mong đợi nó sớm xuất hiện trên kệ trưng bày thương mại. Nhưng mong rằng chúng ta sẽ được trải nghiệm và sử dụng nó trong tương lai không xa.

Nghiên cứu được truy cập mở trên tạp chí Nature Communications.

Nguồn: NIST

Kernel VN - Tổng hợp và theo NewAtlast