Замочная скважина, позволяющая увидеть невидимое в 3D

Электроника

Редакция сайта «Технологические инновации» — 06.10.2025

Лазер используется для создания крошечного «оптического отверстия» внутри кристалла, которое преобразует инфракрасное изображение в видимое, которое затем регистрируется обычной камерой. [Изображение: Кунь Хуан/ECNU]

Камера- обскура

Исследователи использовали многовековую идею камеры-обскуры для создания высокопроизводительной безлинзовой инфракрасной системы визуализации. Новая камера способна получать чрезвычайно чёткие изображения в широком диапазоне расстояний и при слабом освещении, что делает её полезной в ситуациях, когда традиционные камеры ночного видения неэффективны.

Камера-обскура, или камера-обскура, не имеет линзы и улавливает свет через одно отверстие — вот почему ее также называют камерой- обскуром .

Теперь задача заключалась в том, чтобы придать этой концепции высокотехнологичный вид, используя инновационный квантовый материал для получения изображений в инфракрасном спектре. Вместо обычного точечного отверстия новая система использует сам свет для формирования крошечного «оптического отверстия» внутри кристалла, который и становится устройством, преобразующим инфракрасное изображение в видимый свет.

«Многие полезные сигналы, такие как тепловые и молекулярные «отпечатки пальцев», находятся в среднем инфракрасном диапазоне, но камеры, работающие на этих длинах волн, часто шумят, дороги или требуют охлаждения», — пояснил профессор Хэпин Цзэн из Восточно-Китайского педагогического университета. «Кроме того, традиционные системы с линзами имеют ограниченную глубину резкости и требуют тщательного проектирования для минимизации оптических искажений. Мы разработали высокочувствительную безлинзовую систему, которая обеспечивает гораздо большую глубину резкости и поле зрения, чем другие системы».

Используя свою установку, команда получила чёткие изображения в среднем инфракрасном диапазоне с глубиной резкости более 35 см и полем зрения более 6 см. Они также смогли использовать систему для получения 3D-изображений.

«Этот подход может улучшить безопасность в ночное время, контроль качества в промышленности и мониторинг окружающей среды», — сказал исследователь Кунь Хуан. «А поскольку он использует более простую оптику и стандартные кремниевые датчики, он в конечном итоге может сделать системы инфракрасной визуализации более доступными, портативными и энергоэффективными. Его можно будет применять даже в других спектральных диапазонах, таких как дальний инфракрасный или терагерцовый диапазон, где линзы сложно изготавливать или они обладают низкими характеристиками».

Лазерный луч накачки внутри нелинейного кристалла эквивалентен оптической апертуре — своего рода затвору камеры. [Изображение: Янан Ли и др. - 10.1364/OPTICA.566042]

Новое изобретение камер-обскуры

Пинхол- визуализация — один из древнейших методов получения изображений, впервые описанный китайским философом Мо-цзы в IV веке до н. э.

Традиционная камера-обскура работает, пропуская свет через небольшое отверстие в светонепроницаемом коробе, проецируя перевёрнутое изображение внешней сцены на противоположную поверхность внутри. В отличие от объектива, точечная камера-обскура позволяет избежать искажений, обеспечивает бесконечную глубину резкости и работает в широком диапазоне длин волн.

Чтобы реализовать эти преимущества в современной системе инфракрасной визуализации, исследователи использовали мощный лазер для создания оптического отверстия — искусственного, а не физического — внутри нелинейного кристалла. Благодаря своим уникальным оптическим свойствам кристалл ниобата лития преобразует инфракрасное изображение в видимый свет, позволяя снимать его обычной цифровой камерой. Этот физический процесс называется преобразованием света вверх .

Определив, что точечное отверстие с оптическим радиусом приблизительно 0,20 мм обеспечивает чёткие, хорошо различимые детали, исследователи использовали этот размер апертуры для получения изображений объектов на расстояниях 11 см, 15 см и 19 см. Эти изображения были чёткими в средней инфракрасной области спектра с длиной волны 3,07 мкм на всех расстояниях, что подтверждает широкий диапазон глубин. Изображения оставались чёткими даже для объектов, расположенных на расстоянии до 35 см, что демонстрирует большую глубину резкости.

Пример 3D-изображения (помните, это камера ночного видения ), полученного во время тестирования. [Изображение: Янан Ли и др. - 10.1364/OPTICA.566042]

3D-изображение

Наконец, исследователи использовали свою камеру для создания 3D-изображений, включая времяпролётные 3D-изображения. Демонстрация включала фотографии матового керамического кролика, полученные с использованием синхронизированных сверхбыстрых импульсов в качестве оптического затвора, что позволило реконструировать трёхмерную форму с микрометровой аксиальной точностью. Даже при уменьшении входного сигнала до примерно 1,5 фотонов на импульс, что имитировало условия очень низкой освещённости, метод всё ещё позволял получать 3D-изображения после корреляционного шумоподавления.

Исследователи признают, что нелинейная система формирования изображений с помощью пинхола в среднем инфракрасном диапазоне пока находится на стадии экспериментального исследования, требующего относительно сложной и громоздкой лазерной установки. Однако по мере разработки новых нелинейных материалов и интегрированных источников света технология должна стать значительно более компактной и простой в реализации. Они уже работают над повышением скорости, чувствительности и адаптивности системы к различным сценариям получения изображений.

Другие новости о:

Больше тем