Блог

Nov 26, 2023

Встроенный датчик изображения для выявления аберраций

Том Nature 612, страницы 62–71 (2022 г.) Цитировать эту статью 32 тыс. Доступов 21 Цитирование 54 Подробности об альтернативных метриках Планарные цифровые датчики изображения облегчают широкое применение в широком диапазоне

Nature, том 612, страницы 62–71 (2022 г.) Процитировать эту статью

32 тыс. доступов

21 цитат

54 Альтметрика

Подробности о метриках

Планарные цифровые датчики изображения облегчают широкое применение в самых разных областях1,2,3,4,5, а количество пикселей в последние годы быстро увеличивается2,6. Однако практическая эффективность систем визуализации фундаментально ограничена пространственно неоднородными оптическими аберрациями, возникающими из-за несовершенства линз или возмущений окружающей среды7,8. Здесь мы предлагаем интегрированный сканирующий датчик изображения светового поля, называемый датчиком метаизображения, для достижения высокоскоростной трехмерной фотографии с коррекцией аберраций для универсальных приложений без дополнительных модификаций оборудования. Вместо непосредственного обнаружения двумерной проекции интенсивности датчик метаизображения фиксирует сверхточное четырехмерное распределение светового поля с помощью вибрирующей матрицы микролинз с кодовым кодом, что обеспечивает гибкий и точный синтез модулированных по сложному полю изображений при постобработке. . Используя датчик, мы достигаем высокопроизводительной фотографии с разрешением до гигапикселя с помощью одной сферической линзы без предварительной обработки данных, что приводит к снижению емкости системы и затрат на оптическое изображение на порядки. Даже в условиях динамической турбулентности атмосферы датчик метаизображения обеспечивает коррекцию многоточечных аберраций в пределах 1000 угловых секунд на 80-сантиметровом наземном телескопе без снижения скорости сбора данных, открывая путь для синоптических обзоров неба с высоким разрешением. Кроме того, можно одновременно получать точные карты глубины высокой плотности, что облегчает выполнение различных задач — от автономного вождения до промышленных инспекций.

Датчики двумерного (2D) изображения произвели революцию во многих областях, включая промышленный контроль, мобильные устройства, автономное вождение1, наблюдение2, медицинскую диагностику3, биологию4 и астрономию5. Благодаря быстрому развитию полупроводниковой промышленности количество пикселей в цифровых датчиках за последнее десятилетие быстро выросло2,6. Однако практическая производительность большинства систем визуализации достигла узкого места, обусловленного оптикой, а не электроникой. Например, при наличии гигапиксельного датчика эффективное количество пикселей системы формирования изображения обычно ограничено уровнем мегапикселя из-за оптических аберраций, возникающих из-за несовершенства линз или возмущений окружающей среды, которые приводят к тому, что свет, излучаемый из одной точки, распространяется на большую область. на 2D-сенсоре7,8. Между тем, проекция трехмерных (3D) сцен на двухмерную плоскость приводит к потере различных свобод светового поля, таких как глубина и локальная когерентность. В результате долгое время было непросто получить карты глубины высокой плотности с помощью встроенного датчика9.

Эксперты в области оптической техники потратили сотни лет на разработку совершенных систем визуализации для коррекции аберраций с помощью нескольких прецизионных линз в последовательном режиме10. Однако сложность оптического проектирования и изготовления возрастает экспоненциально с увеличением произведения пространства на полосу пропускания, которое описывает общее количество степеней свободы оптической системы и устанавливает верхнюю границу эффективного числа пикселей из-за дифракционных пределов11. В этом случае высокопроизводительные системы некогерентной визуализации с большой эффективной пространственной пропускной способностью обычно очень дороги и громоздки, например телескопы с большой апертурой12 и мезоскопы13,14. Металинза и оптика произвольной формы потенциально могут облегчить эту проблему за счет изготовления оптимизированных поверхностей линз при условии достаточной точности обработки в больших масштабах15,16. Алгоритмы устранения размытия изображения могут улучшить контрастность изображения за счет точных оценок функции рассеяния точки (PSF)17,18,19. PSF-инжиниринг с кодированной апертурой сохраняет больше информации за счет уменьшения нулей в частотной области20,21. Однако очень сложно восстановить высокочастотную информацию, потерянную из-за передаточной функции с низкой модуляцией (MTF), и эти подходы обычно требуют конкретных априорных данных и точных оценок PSF, особенно для пространственно неоднородных аберраций22. Более того, все эти методы по-прежнему чувствительны к динамическим аберрациям окружающей среды при небольшой глубине резкости.