3 Minuty
Starożytna idea otworka, nowoczesna optyka laserowa
Naukowcy z East China Normal University przekształcili wiekową koncepcję obrazowania, tworząc wysokowydajną kamerę bezsoczewkową działającą w średniej podczerwieni (mid‑IR), zdolną do generowania ostrych obrazów 2D i 3D na szerokim zakresie głębi ostrości. Zamiast tradycyjnych szkieł, system używa skupionego lasera do formowania „optycznego otworka” w nieliniowym krysztale i jednoczesnego konwertowania światła mid‑IR na widoczne długości fal, odczytywane przez standardowe detektory krzemowe.
Dlaczego to przełom
Długości fal w zakresie średniej podczerwieni dostarczają cennych informacji – sygnatur cieplnych, cech absorpcji molekularnej i innych znaków trudnych do uchwycenia w świetle widzialnym. Jednak konwencjonalne kamery mid‑IR są często duże, szumiące, kosztowne lub wymagają kriogenicznego chłodzenia. Nowe rozwiązanie bezsoczewkowe oferuje uproszczoną ścieżkę optyczną, dużą głębię ostrości oraz obniżony poziom szumów dzięki detekcji przez konwersję częstotliwości, co z czasem może obniżyć koszty i zużycie energii.
„Opracowaliśmy bardzo czułą metodę bezsoczewkową, zapewniającą znacznie większą głębię i pole widzenia niż inne systemy” – podkreśla szef zespołu, Heping Zeng. Kolega Kun Huang dodaje, że technikę tę można rozszerzyć na daleką podczerwień (far‑IR) lub zakres terahercowy, gdzie konstruowanie klasycznych soczewek jest bardzo trudne.
Jak to działa
Zsynchronizowany impuls ultrakrótkiego lasera tworzy mikroskopijną, rzeczywistą aperturę – „optyczny otworek” o promieniu ok. 0,20 mm – wewnątrz specjalnie zaprojektowanego kryształu nieliniowego. Kryształ ten wykonuje konwersję częstotliwości: miesza docierający obraz w średniej podczerwieni z impulsem lasera, dzięki czemu obraz mid‑IR staje się światłem widzialnym. Ponieważ kryształ jest wytwarzany z okresową strukturą o zmiennym kroku (ang. chirped), przyjmuje światło z szerokiego zakresu kątów, co daje rozległe pole widzenia i zapewnia obrazowanie wolne od zniekształceń.
Najważniejsze osiągnięcia eksperymentalne:
- Ostre obrazy w zakresie średniej podczerwieni przy długości fali 3,07 μm
- Głębia ostrości zachowana powyżej 35 cm
- Pole widzenia przekraczające 6 cm
- Efektywne obrazowanie przy wejściu na poziomie ~1,5 fotonu na impuls po odszumianiu
Tryby obrazowania 3D
Naukowcy zademonstrowali dwie metody uzyskiwania obrazów 3D: rekonstrukcję „time‑of‑flight” z użyciem bramek ultrakrótkiego impulsu dla uzyskania osiowej precyzji na poziomie mikrometrów oraz uproszczony pomiar głębokości na podstawie dwóch zdjęć, wykonanych przy nieco różnych odległościach obiektu. Oba podejścia działają bez tradycyjnych soczewek i wymagają stosunkowo niewielkiej liczby fotonów.
Zastosowania, zalety i ograniczenia
Potencjalne zastosowania to monitoring nocny, inspekcja przemysłowa oraz monitoring środowiskowy, w których kontrast w średniej podczerwieni odgrywa kluczową rolę. Wśród zalet należy wymienić niskie zniekształcenia, szeroką głębię ostrości, zgodność ze standardowymi detektorami krzemowymi oraz naturalne tłumienie szumów dzięki procesowi konwersji częstotliwości.
Pewne ograniczenia nadal istnieją: obecne układy wykorzystują duże, synchronizowane lasery i laboratoryjne kryształy nieliniowe, więc całość pozostaje na etapie udowodnienia koncepcji. Zespół badawczy pracuje nad zwiększeniem wydajności konwersji, dynamicznym sterowaniem aperturą optyczną oraz bardziej kompaktowymi źródłami światła, by stworzyć praktyczne rozwiązania komercyjne.
Docelowo metoda ta otwiera drogę do bardziej dostępnego obrazowania mid‑IR i THz bez soczewek, co daje nowe możliwości dla mobilnych, energooszczędnych czujników stosowanych w ochronie, produkcji przemysłowej czy teledetekcji.
Źródło: scitechdaily
Komentarze