Всё это стало возможным благодаря новой оптической платформе.
Инженеры из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали универсальную систему для управления светом в трёхмерной оптике. Их работа опубликована в журнале Light: Science & Applications. Эксперты считают, что это открытие открывает новые горизонты для микроскопии, спектроскопии и обработки данных.
PSF — это то, как свет от одной точки формирует изображение. Например, если осветить иголку, можно увидеть, как её свет проецируется на экран. Способ, которым этот свет распространяется, и есть PSF. Управляя этим процессом, можно улучшить чёткость, глубину резкости и пространственное разрешение. В объёмной оптике от PSF зависит всё: от фокусировки до изучения структуры объектов.
Новая система позволяет создавать трёхмерные структуры рассеяния произвольной формы без традиционных фильтров, подвижных элементов или сложных алгоритмов. Это означает, что трёхмерная визуализация возможна напрямую, благодаря оптической физике.
Раньше PSF задавалась с помощью фазовой маски в объективе, но она могла работать только в одном режиме. Исследователи из UCLA предложили использовать последовательность оптических элементов, каждый из которых выполняет свою функцию.
Эти элементы рассчитываются и оптимизируются с помощью нейросетей. Система сама определяет необходимую форму, а затем создаёт её физически. В результате получается устройство, которое работает без электроники или программного обеспечения.
Каждый элемент управляет волновым фронтом света, создавая нужную пространственную трансформацию. Это позволяет программировать поведение света в определённой зоне без задержек и постобработки.
Анализ показал, что дифракционные структуры могут выполнять любые линейные операции между входным и выходным распределением света. Это означает, что можно гибко задавать поведение света, изменяя фокус, разделяя спектры или направляя луч в нужные области.
Особое внимание было уделено объединению спектральных и пространственных параметров PSF. Это позволяет создавать устройства для одномоментной многоспектральной съёмки без механического движения или смены режимов. Такая камера способна захватывать сцену в нескольких спектрах и с разных углов одновременно.
Этот подход, основанный на оптической физике, предлагает высокую гибкость для оптических систем. Его можно использовать в компактных 3D-микроскопах, медицинских сканерах, спектральных сенсорах и системах передачи данных.
Разработка учёных из UCLA знаменует важный шаг в области оптических вычислений и визуализации. Вместо жёстких ограничений традиционной оптики, они предлагают систему, способную адаптироваться под любые задачи ещё до того, как свет достигнет сенсора.
Возможные применения этой технологии разнообразны: от многоканальных сенсоров и портативных сканеров до систем объёмной фокусировки. Особенно перспективным выглядит направление оптической передачи данных, где можно добиться высокой плотности сигналов и устойчивости к помехам благодаря адаптации оптического фронта.
Проект возглавили доктор Мда Садман Сакиб Рахман и профессор Айдоган Озджан из UCLA и Калифорнийского института наносистем. Их метод сочетает точность волновой оптики с возможностями глубокого обучения.
Для работы системы не требуются мощные источники света или редкие материалы. Сложности связаны только с проектированием и симуляцией, а сами компоненты изготавливаются доступными методами, такими как 3D-печать и фотолитография. Это делает данную технологию совместимой с промышленным производством и тиражированием.