3 Minuty
Starobylý koncept dírkové kamery, moderní laserová optika
Vědci z East China Normal University inovovali staletí starý nápad v zobrazování a vyvinuli vysoce výkonnou bezobjektivovou kameru pro střední infračervenou oblast (mid-IR), která dokáže pořizovat ostré 2D i 3D snímky v širokém rozsahu hloubky ostrosti. Místo skleněné optiky využívá systém zaostřený laser, který vytváří „optickou dírku“ uvnitř nelineárního krystalu a současně převádí mid-IR světlo na viditelné vlnové délky tak, aby ho mohly zachytit běžné křemíkové detektory.
Proč je to důležité
Střední infračervené vlnové délky přenášejí hodnotné informace — tepelný podpis, molekulární absorpční znaky a další indikátory, které nejsou ve viditelném světle snadno rozpoznatelné. Běžné mid-IR kamery jsou však často objemné, hlučné, drahé nebo vyžadují kryogenní chlazení. Nové bezobjektivové řešení nabízí jednodušší optickou cestu, velkou hloubku ostrosti a snížený šum díky převodu signálu — což by mohlo časem snížit náklady i spotřebu energie.
„Vyvinuli jsme vysoce citlivou, čočky nevyužívající metodu, která poskytuje mnohem širší hloubku ostrosti a zorné pole než běžné systémy,“ uvádí vedoucí týmu Heping Zeng. Jeho kolega Kun Huang dodává, že tuto technologii lze rozšířit také na dalekou IR nebo terahertzovou oblast, kde je výroba klasických čoček velmi problematická.
Princip fungování
Synchronizovaný ultrarychlý laserový puls vytvoří uvnitř speciálně navrženého nelineárního krystalu miniaturní efektivní aperturu — „optickou dírku“ o poloměru přibližně 0,20 mm. Krystal zde provádí převod frekvence (upconversion): smíchává vstupní mid-IR scénu s laserovým pulsem a převádí obraz do viditelného světla. Díky periodické, „chirped“ struktuře krystalu přijímá světlo z mnoha úhlů, čímž umožňuje široké zorné pole a obraz bez zkreslení.
Klíčové poznatky z experimentu:
- Ostré snímky mid-IR při vlnové délce 3,07 μm
- Hloubka ostrosti zachována i při vzdálenostech nad 35 cm
- Zorné pole přesahující 6 cm
- Efektivní zobrazování s příchozím světlem pouze ~1,5 fotonu na puls po snížení šumu
3D režimy zobrazování
Vědci ukázali dvě metody 3D zobrazování: rekonstrukci založenou na měření doby průletu pomocí ultrakrátkého pulsu s mikronovou axiální přesností a jednodušší dvousnímkovou hloubkovou metodu, která odhaduje vzdálenost z rozdílu mezi dvěma snímky při různých vzdálenostech objektu. Obě techniky fungují bez běžných čoček a potřebují pouze malé množství fotonů.
Využití, výhody a omezení
Potenciální využití zahrnuje noční sledování, průmyslovou inspekci a environmentální monitoring tam, kde na mid-IR kontrastu záleží. Mezi výhody patří nízké zkreslení, velká hloubka ostrosti, kompatibilita s běžnými křemíkovými detektory a potlačení šumu díky převodu signálu.
Výzvy přetrvávají: současné sestavy používají objemné synchronizované lasery a laboratorní nelineární krystaly, systém je tedy zatím ve fázi ověřovacího prototypu. Tým pracuje na vyšší účinnosti převodu, dynamickém řízení optické apertury a kompaktnějších integrovaných zdrojích světla, jež by systém přiblížily komerčnímu nasazení.
Metoda tak otevírá cestu k dostupnějšímu bezobjektivovému zobrazování ve střední IR a terahertzové oblasti, což rozšiřuje možnosti pro přenosné, úsporné senzory ve sféře bezpečnosti, výroby i dálkového průzkumu.
Zdroj: scitechdaily
Komentáře