Зеркальные камеры DSLR — узкое место в работе современных фотографов-профессионалов. Они позволяют получать высокое качество снимаемых изображений, но вместе с тем остаются весьма тяжелыми и громоздкими. К сожалению, высококачественная и тяжелая оптика, точная механика не позволяют сокращать вес и размеры DSLR-камер такими темпами, которыми происходит уменьшение массогабаритных показателей другой техники. В последнее время начаты разработки и производство беззеркальных камер, к примеру, Canon EOS M, но полученные характеристики пока еще не позволяют им успешно конкурировать с DSLR-камерами.
Миниатюрные металинзы (meta-lens), разработанные учеными из Гарвардского университета на основе метаматериала, могут применяться практически во всех существующих сегодня технологиях съемки, начиная от фотографии и заканчивая изображениями, получаемыми при помощи мощных оптических микроскопов и телескопов. Более того, использование металинз в камерах мобильных телефонов и прочей портативной техники позволит получать изображения, не уступающие по качеству снимкам, полученным с помощью полу- и профессиональных DSLR-камер.
Размер металинзы — порядка 2 мм в диаметре, а стоимость их изготовления обойдется на 2-3 порядка дешевле, чем изготовление линз из просветленного оптического стекла. «Мы хотели бы заменить громоздкую оптику», пояснил Мохаммадреза Кхорасанинеджад (Mohammadreza Khorasaninejad) — научный руководитель проекта в своем интервью Popular Science. Используя металинзы ,"… Мы можем сократить расходы на 2 или 3 порядка". Другими словами, цену линзы ТОП-уровня в $5000 удастся снизить до потенциально исчезающих S5 долларов, сохранив при этом все ее возможности. И очень важно, что миниатюрные линзы, будучи плоскими, могут быть изготовлены в тех же самых производственных цехах, где производятся стандартные компьютерные чипы.
Новые металинзы позволят получать снимки качеством DSLR-камеры при помощи смартфона
Внушительный размер объективов DSLR-камер объясняется использованием в их конструкции множества оптических элементов с изогнутыми поверхностями. Такие линзы изменяют форму световых лучей, преломляют их и фокусируют на поверхности светочувствительного датчика. При этом некоторая часть света, проходящая через края линз, все же выпадает из фокуса изображения, что приводит к размытости краев изображения. Компенсировать эффект сферической аберрации приходится за счет дополнительных корректирующих линз, что дополнительно повышает стоимость и увеличивает габаритные размеры объектива.
У металинз, представляющих собой плоские кварцевые пластины, на поверхности которых сформированы упорядоченные особым образом структуры из диоксида титана, отрицательный эффект, связанный со сферическими аберрациями отсутствует по определению. Каждый отдельный элемент металинзы, внешне схожий с поставленной на ребро миниатюрной костяшкой домино размером несколько десятков х несколько сотен нанометров, преломляет поступающие лучи света по-своему. Вместе с тем, все эти элементы, расположенные в строго определенном порядке, действуют как одна линза, фокусируя лучи света в нужной точке.
Прототип, созданный учеными пока не способен охватить весь диапазон видимого спектра. Варьируя размеры элементов на поверхности металинз, высоту «костяшки», расстояние между соседними металинзами и ряд других параметров исследователям удалось создать образцы линз, демонстрирующих отличные рабочие характеристики в диапазонах 405, 532 и 660 нанометров, т. е. фиолетово-синей, желто-зеленой и красной части видимого спектра. Уже намечены пути решения проблемы улучшения качества картинки с участием цветов и другой части спектра, где пока что изображение выглядит не достаточно резко.
Структура поверхности металинзы
Одно из «фирменных» достоинств металинз — несравнимо более высокие показатели эффективности. К такому выводу исследователи пришли еще в 2011 году, когда путем экспериментов получили эффективность на уровне 99%. Это значит, что при прохождении через металинзу теряется всего 1% светового потока. И такой результат сегодня невозможно повторить даже используя лучшие линзы из стекла.
Точно назвать месяц и год, когда металинзы анонсированные группой исследователей из Гарварда смогут добраться да объективов камер смартфонов пока проблематично. Ясно что первым шагом на пути к этой цели станет преодоление проблем качества картинки во всем видимом спектральном диапазоне. Вместе с тем, применение преимуществам разработки в ее нынешнем виде можно найти уже сейчас: это, к примеру, возможность их использования в научном и технологическом оборудовании, задействующем в процессе работы технологии обработки луча лазера и прочих источников света с определенной длиной волны.
Science
BBC
На этом всё, с вами был Dronk.Ru. Не забывайте возвращать деньги за покупки в Китае и подписываться на наш блог, будет ещё много интересного.
Рекомендуем:
— Экономим до 8% с каждой покупки на AliExpress и других интернет-магазинах Китая
— Почему интернет-магазины отдают деньги за покупки?
— Верните свои деньги — Выбираем кэшбэк-сервис для Aliexpress
— История развития Dronk.ru — от выбора квадрокоптеров до возвращения денег за покупки на AliExpress и не только
— Лучший кэшбэк сервис или 5 основных критериев оценки кэшбэк-сервиса
Комментарии (66)
hungry_ewok
27.06.2016 09:57Хм. А ведь походу можно уже с умеренным оптимизмом ожидать прорыва в удешевлении ИК/УФ оптики…
DrZlodberg
27.06.2016 10:25Оптику DSLR в таком виде, по крайней мере, они не заменят. Количество света, бокэ… это всё зависит от размеров линзы. Но вот если по такой технологии смогут делать большие линзы с малой массой — то да. Однако, на сколько я помню, убийц больших и тяжелых линз было уже как минимум несколько, и пока о них ничего больше не слышно.
DjOnline
27.06.2016 10:47Если снимать в 3D то абсолютно любой бокэ можно эмулировать программно. Примерно как это делает Lytro.
Голливудские студии программно создают любой бокэ в CGI же.tmnhy
27.06.2016 11:51> Примерно как это делает Lytro
Вот, кмк, совсем неудачный пример. Периодически они создают информационный шум, но где success-story? Кто-то пользуется этими камерами?DjOnline
27.06.2016 12:41Речь не про Lytro, а про то что снимая стерео картинку и имея карту глубины, можно воссоздать абсолютно любое бокэ, как это делают в голливуде.
Aclz
27.06.2016 16:56+1Для получения карты глубины одной лишь стереокартинки в общем случае не достаточно. Также как в общем случае недостаточно одной лишь карты глубины для боке.
DjOnline
27.06.2016 20:36Даже в After Effects достаточно — https://www.youtube.com/watch?v=EkvpUTFXxFY.Да, в этом плагине нельзя выбрать слишком уж разные типы боке, но уверен и такие плагины тоже существуют.
Это всё таки проще, чем 3d reconstruction from stereo по карте глубины.Aclz
29.06.2016 14:08Например, если объект расположен достаточно близко к объективу, то он с определенного расстояния «замыливается» настолько, что становится полупрозрачным.
Если карта глубины — монокартинка, то заглянуть за объект с ее помощью будет невозможно.
Стереокартинки недостаточно по похожим причинам.
Mulin
27.06.2016 16:00"… Количество света, бокэ… "
«Это значит, что при прохождении через металинзу теряется всего 1% светового потока.»
А боке, думаю, в скором времени станет таки программным.
RomanArzumanyan
27.06.2016 16:33Почему не заменят? T-стопы станут ближе к F-стопам. Картика вне ГРИП в любом случае уникальна для каждого объектива, да и само явление боке никуда не денется.
tBlackCat
27.06.2016 22:26> на сколько я помню, убийц больших и тяжелых линз было уже как минимум несколько, и пока о них ничего больше не слышно.
Ну почему не слышно? Просто используются они в весьма дорогих объективах. Кэнон, например, использует линзу Френеля и массогабаритные показатели телеобъективов заметно приятнее стали.
Для бытового уровня и сейчас многие смартфоны неплохо справляются, для просмотра на мониторе или печати демократичного формата 10х15 их хватает за глаза. Вот только портрет смартфону недоступен — законы оптики обойти нельзя.
Ra-Jah
28.06.2016 08:32Просветление стекла это меньшая из проблем, которая существует в оптике, проще сделать более чувствительную матрицу. Куда сложнее избавить от искажений, добиться хорошего разрешения стекла. Боюсь, что «Лента» и та лучше заголовки пишет.
dmitry_ch
27.06.2016 10:45+2У металинз, представляющих собой плоские кварцевые пластины, на поверхности которых сформированы упорядоченные особым образом структуры из диоксида титана, отрицательный эффект, связанный с хроматическими аберрациями отсутствует по определению
Смелое заявление. Дословно «старые название-предмета сложны и дороги, новые мета-название-предмета дешевы и не имеют недостатков по определению». Хочу такое определение для всего, что видим вокруг! Хочу мета-автомобиль, которые не ломается и не тратит ни бензина, ни масла, ни чего-то еще. Хочу мета-еду, которая не вредна, полезна, насыщает, и бесплатна. А что, это же «по определению»!
А в жизни мы сталкиваемся с грубым реальным миром. Если мы изменяет поведение фотонов микрогребнями хоть из титана, хоть из золота, мы должны беспокоиться за сохранность гребней (в мобильниках-то, ну-ну!), а также за то, что гребни, как объекты физические, внезапно конечны числом и не дадут идеальную картинку просто потому, что их категорически маловато по сравнению с числом «точек изображения» (на самом деле, числом пролетающих фотонов).
Ладно, это же сообщение от DronkRU, чему тут удивляться — перевели что нашли и как сумели.
VIK52
27.06.2016 20:53Очевидно, автор имел в виду, что для отражающих поверхностей, в отличие от преломляющих, хроматическая аберрация равна нулю, а эти «металинзы» работают только на отражение. Удивляться действительно нечему
tBlackCat
28.06.2016 07:44Отражающая поверхность, используемая в оптической системе не имеет хроматических аберраций, но в полной мере обладает сферическими.
Наиболее наглядно эффект проявляется в оптической астрономии.
Gryphon88
28.06.2016 13:38+1Линзы работают на просвечивание (transmissive lens), в оригинале статьи про это написано
Alex_ME
27.06.2016 10:49+1Но ведь, как я понимаю, качество изображения DSLR камер определяется еще большим физическим размером матрицы. Который и ведет к появлению немаленьких объективов. Плюс объектив с большими линзами обладает большей светосилой, и никакие мета-линзы не позволят сделать его меньше. Тоньше, легче — да, но уменьшение диаметра приведет к уменьшению светосилы.
loly_girl
27.06.2016 11:13Можно сделать матрицу во всю ширину смартфона и линзу такую же, потому что объектив будет плоский и очень тонкий.
andrewdrone
27.06.2016 17:44-1Совершенно верно, качество съемки зависит при прочих равных от размера светочуствительной ячейки (пикселя). Чем больше фотонов способен собрать пиксель за момент времени — тем точнее и достовернее будет полученная им информация. В случае малых размеров пикселей получаем больший коэффициент усиления, он же ISO (грубо говоря, множитель пикселей до уровня пригодного для обработки), поэтому случайно залетевший мимо фотон даст большее искажение изображения (видимый «шум»)
Более того, именно большой площадью сенсора и необходимостью подать на него максимальное количество света и обусловлены размеры профессиональной оптики, а качество и материал изготовления стекол влияют на цену.
Отвечу сразу и на коммент loly_girl: не выйдет. В статье указано что весь массив рассчитан на фокусировку в одной точке, следовательно, нужно будет делать либо маленькую матрицу либо очень толстый смартфон, при этом в виде полусферы вогнутой со стороны объектива. В случае 2х камер, получим шарообразный смартфон (в вакууме). Про смену фокусного расстояния (зум) можно сразу же забыть, подозреваю, что и про диафрагму тоже.
Итого на выходе имеем маркетинговую чушь с целью громкими словами выбить гранты на распил/допиливание технологии до минимально приемлемого уровня, а в итоге получим еще один Lytro
tBlackCat
28.06.2016 07:47> уменьшение диаметра приведет к уменьшению светосилы.
Следует учитывать, что в смартфонах очень маленькое фокусное расстояние у оптики. Фокусное расстояние — вторая составляющая, определяющая светосилу объектива.
nikitasius
27.06.2016 10:51+1>> Другими словами, цену линзы ТОП-уровня в $5000 удастся снизить до потенциально исчезающих S5 долларов
Промт переводы уже не новость. Но вот кривые сканы для промь переводов это уже нечно!
*S5 != 55 и уж тем более не 5 в случае 3х порядков:-)
DronkRU
27.06.2016 11:46-1Mohammadreza Khorasaninejad, first author on the study, told Popular Science: «We wanted to replace bulky optics,»… «We can reduce the cost to 2 or 3 orders of magnitude.» This could drop the price of top-tier lenses from $5000 to potentially $5 dollars per lens. (http://www.popsci.com/tiny-new-lens-can-make-an-image-as-sharper-than-best-camera-lens )
rPman
27.06.2016 10:53асферика же! ведь с такой конструкцией линзы можно эмулировать кривизну поверхности как пожелаешь.
Остается вопрос ограничений, на сколько коротким может быть фокусное расстояние такой линзы? Производители шлемов VR будут довольны, значительное повышение видимой области без аберраций и увеличения массы шлема…
wormball
27.06.2016 11:34+3> Миниатюрные металинзы… могут применяться… и телескопов. Размер металинзы — порядка 2 мм в диаметре
Ура! Теперь не надо строить 40-метровый телескоп, достаточно двухмиллиметровой линзы! Вот это я понимаю — не ждать милостей от природы, а взять их у неё!
> отрицательный эффект, связанный с хроматическими аберрациями отсутствует по определению.
> демонстрирующих отличные рабочие характеристики в диапазонах 405, 532 и 660 нанометров
Ну-ну.
qbertych
27.06.2016 12:51+5Дронк.ру такой дронк.ру =). В оригинале речь идет, разумеется, о сферических аберрациях: металинза устраняет именно их. Хроматические — следующая задача, очень и очень непростая.
Azya
27.06.2016 23:07А откуда взяться хроматизму, если каждая такая линза работает только для конкретной длины волны?
tmnhy
27.06.2016 11:59-2" Другими словами, цену линзы ТОП-уровня в $5000 удастся снизить до потенциально исчезающих S5 долларов, сохранив при этом все ее возможности. "
По подаче материала, какой-то очередной bullshit. Возможности «стеклянных» объективов складываются из конкретных оптических схем, как именно будет снижаться стоимость линзы или объектива, как будет работать эта оптика? Непонятно.
И не надо забывать про субъективную художественню составляющую, у каждого, кто камеру держит регулярно, есть свои любимые и не очень линзы, есть ощущение «рисунка» объектива. Не всё решают мегапиксели и количество линий на дюйм.RomanArzumanyan
27.06.2016 13:40Толстую тяжёлую стеклянную линзу с меньшим коэффициентом пропускания света заменит тонкая лёгкая линза из композитного материала с большим коэффициентом пропускания света.
Технически всё выглядит хорошо. Будет ли такой объектив обладать тёплым ламповым рисунком — вопрос.
Foolleren
27.06.2016 18:14-1что-то среднее уже давно есть
http://www.canon.ru/for_home/product_finder/cameras/ef_lenses/do_lenses.aspx
nafikovr
28.06.2016 09:08Как раз таки
теплым ламповымтяжелым стеклянным он не будет. А вот с рисунком вопрос открыт, как и с судьбой идеи в целом
RomanArzumanyan
27.06.2016 12:08+1Металинзы — это прекрасно. Но, уважаемый автор — зачем столько желтизны в тексте? DSLR (что вообще-то означает однообъективную цифрозеркалку, а не всю ту технику, что используется профи) состоят не только из оптики, а ещё из матрицы, батарейки, электроники и прочего.
Уже очень давно существуют компактные объективы, но они не привели к созданию столь же компактных тушек.
donvictorio
27.06.2016 13:01+1камера обскура — самый эффективный в плане светопроницаемости оптический интерфейс.
уменьшенная в сотни раз площадь линзы соответственно во столько же раз уменьшает детализацию, также у такой линзы светосила будет как у хлебушка (как у фронтальных камер на дешманских смартах — там такие же по размеру стоят), что поставит крест на малых выдержках.
а вот огромную линзу сделать потоньше — вариант. но здесь открытий была пачка (та же линза френеля — древнее изобретение) но не выстрелили.nafikovr
28.06.2016 09:13со светосилой проблем в маленьких камерах как раз таки не так много, так как светосилу определяет не площадь линзы, но отношение площади (диаметра, если точнее) к фокусному расстоянию (которое там такое же мелкое, как и размеры линзы)
Ogoun
27.06.2016 13:15Новость про плоские линзы 2012 года
Пока в продаже не видел, хотя там техпроцесс еще проще чем тут.
qbertych
27.06.2016 13:21+8Пожалуй, стоит прокомментировать оригинальную работу, потому что после такого «перевода» от изначального смысла мало что осталось. Прежде всего, основное предназначение — не фототехника, а микроскопия. Здесь у металинз есть два преимущества:
1. Нет сферической аберрации. Метаматериалы — это структуры с характерными размерами меньше длины волны, поэтому они могут очень точно обращаться с волновым фронтом и его фазой.
2. Числовая апертура, то есть то, какой процент света от препарата войдет в объектив. Упрощая, чем ближе можно приблизить объектив к препарату, тем больше света он соберет. Металинза дает апертуру 0.8, что оочень неплохо — обычный объектив с такой апертурой стоит… дорого он стоит, в общем.
При этом объектив получается маленьким (не нужно городить десять линз для компенсации аберраций), плоским и может давать хорошее увеличение (у них вроде было 170х). Минусы — эффективность (< 86%) и хроматическая аберрация. Строго говоря, это даже не аберрация, а полная неспособность работать при других цветах, что довольно типично для метаматериалов.
Ну и картинки.
Масштаб (белая черта) — 5 микрон.Gryphon88
27.06.2016 15:07Немного дополню:
оригинал статьи
Шаг вперед огромный, но жёсткая одноцветность и низкое светопропускание (рис 1F) пока не дадут собирать продажные объективы. Да и насчёт заборотых сферических абераций они, имхо, не совсем честны (рис 2 и рис 3В), особенно в свете контроля качества. Больше всего меня настораживает, можно ли будет использовать формулы из классической геометрической или волновой оптики с такой линзой — на рис 1G картинка похожа не на дифракцию на круглой апертуре, а на дифракцию на квадратной, но не совсем
alekseev_ap
27.06.2016 17:19+1А мне эта
жёсткая одноцветность
даже нравится! Ведь используя эти фильтры можно заняться простейшей идентификацией объектов. Жаль только, что этих полос пропускания так мало. Вот бы хотя б с десяток!
Хотя, может и так сработает для сортировки ягод или определения цвета проезжающих авто (как дополнительная проверка).Gryphon88
27.06.2016 19:27+1Для этого достаточно светофильтра, хоть из цветного стекла. А если мы хотим смотреть многоцветный объект, то нам придётся менять не светофильтры, а объективы, что сильно дороже и часто вызывает сбивку фокуса. Плюс такая проблема поставит крест на флуоресцентной микроскопии из-за сдвига Стокса (возбуждаем синим, флуоресценция зелёная, если упрощённо).
Использование метаматериалов не даст нам однолинзовый объектив, но даст возможность заменить дуплеты илли триплеты однойлинзой. Кстати, интересны характеристики этой линзы в зависимости от ориентации, в теории у симметричной линзы из метаматериала могут быть разные фокусные расстояния.
evocatus
27.06.2016 19:45-2Взять три линзы (RGB) и сфокусировать в одну точку
Sketch_Turner
29.06.2016 13:47И свести борьбу с абберациями на нет. Напомню, что у систем с тремя матрицами куча проблем. Иначе от них не отказались бы в свое в пользу одноматричных.
Tachyon
28.06.2016 13:28Ну раз не фото техника, а микроскопия, тогда оптика Carl Zeiss может немного по спокойнее себя чувствовать
altone
27.06.2016 17:44+2Цифровое изображение формируется на матрице за счет заряда (регистрации) от фотонов, чем меньше линза (объектив) — тем меньше фотонов. Чем меньше фотонов — тем больше шума за счет «худшей» статистики. Исправить данный недостаток можно только большей выдержкой, что тоже не всегда возможно. Поэтому конкуренции большим линзам (и большой оптике) они не сделают, только если сами станут большими.
Glays
27.06.2016 17:44Если у нас уже есть металинзы в трёх частотных диапазонах соответствующих синему зелёному и красному, то в первом приближении мы получаем дешёвую и малогабаритную реализацию 3CCD, которая сейчас используется в профессиональных телекамерах?
И в будущем возможность гнаться в телефонах не за количеством мегапикселей, а за количеством и частотным разнообразием разноцветных матриц с металинзами?
Ну и заодно многоглазых роботов из фантастики.
WladW
27.06.2016 17:44Дополню qbertych.
Металинза это фактически — если перенести её в макромир, переизлучающая антенна радиоволн. Только в данном случае в качестве радиоволн свет, потому и размеры антенн на микроуровне. Антенны настроены в резонанс на строго определенную длину волны, поэтому чтобы захватить весь видимый диапазон необходим массив антенн (микролинз) с резонансом во всём множестве частот видимого света. Что ой как непросто.Glays
27.06.2016 17:51А нужен ли резонанс во всём множестве, если фотодиоды сейчас в основном в матрицах трёх или четырёх цветные?
WladW
27.06.2016 17:54Фотодиоды не распознают цвет, только уровень облучения. Матрица накрыта микролинзами со светофильтрами. И да, нужен весь спектр, иначе будут цветовые искажения
Glays
27.06.2016 18:04Да, понял. Если у светофильтра микролинзы спектр шире, нужно будет больше разных металинз для покрытия такого же диапазона.
PaulMaul
> Миниатюрные металинзы (meta-lens)
И что, сканер оптики (используемый военными и безопасниками) перестанет работать при использовании этих линз?
icoz
А вот это хороший вопрос… Ответ на него, думаю, неоднозначен. Сканеры построены на отражении, а эти линзы очень эффективно пропускают свет. Скорее всего «засветится» какая-то другая часть оптической системы. С другой стороны, здесь указано, что металинза нормально работает только на определённых длинах волн, а что с другими — не указано (поглощает свет или отражает).
Quiensabe
Сканеры построены на поиске блика от линзы, а не просто на отражении. Т.е. на том факте, что линза часть света всегда отправит в сторону источника света. Данные линзы этого эффекта лишены, так что, по идее, сканер его засечь не сможет. Для сканера такая линза будет неотличима от любой плоской (возможно блестящей) поверхности.
Свет других длин волн, судя по всему рассеивается (правильная интерференционная картина не может сформироваться), что приводит к увеличению засветки для наблюдателя. Так что логично такую линзу ставить за светофильтром.
icoz
Ну а блик — это не отражение от внутренней оптической поверхности?
Такого я в статье не увидел, поэтому и не стал говорить так прямо. У вас откуда инфа? Вот что написано в статье:
Теряется — это и отражение, и поглощение. Конкретики нет.
Основной посыл моего сообщения был таков: в статье мало информации для ответа на вопрос про сканеры оптики.
nafikovr
сдается мне, что законы оптики никто не менял так что мета-линза или будет бликовать точно так же, или не будет работать как обычная линза.
Norno
Обычная линза имеет выпуклую поверхность из-за чего может отражать лучи в сторону источника расположенного относительно ее оси на довольно большой угол. Указанные в статье линзы, плоские, и, вероятно, будут отражать свет как зеркало, и, вероятно возвращать на источник только расположенный перпендикулярно ей.
nafikovr
все что я написал мне кажется из-за того что эта выпуклая поверхность причина оптических свойств.
Norno
Случайно получился дубль.
rudollfo
Сканер основан на эффекте светоотражения. Свет проходит через оптическую систему, отражается от матричного приемника и возвращается под тем же углом. Если структура линза по направлению оптической оси однородна — засекут. Если нет — затруднительно сказать.
Chatter_A
Системы обнаружения оптических устройств используют отблеск от устройства регистрации — сетчатки глаза или матрицы видео-фотокамеры. Эффект кошачьего глаза, если кратко.
qbertych
Более того, сетчатки/матрицы в фокусе оптического прибора. Что там за оптика — без разницы. Поэтому военный сканер будет работать как прежде.
Foolleren
налепить дихроичный фильтр отражающий ик в ловушку, и всё — военный сканер в обломе.