Vypadá to jako návrat do minulosti, ve skutečnosti jde ale o technologický krok vpřed. Vědci z East China Normal University totiž dokázali přetavit prastarý princip dírkové komory do vysoce výkonné infračervené kamery, která funguje i tam, kde běžné přístroje selhávají.

Namísto složitých soustav čoček a drahých chlazených senzorů využívá jejich zařízení speciální nelineární krystal. V něm laser vytvoří „optickou dírku“ – miniaturní umělý otvor, skrz který proniká infračervené světlo. Krystal navíc dokáže toto neviditelné záření převést do viditelného spektra, takže výsledný obraz lze zaznamenat na obyčejný křemíkový snímač, jaký se používá třeba v běžných kamerách.

Podle vedoucího týmu Heping Zenga je výhoda zřejmá: „Infračervené záření v sobě nese spoustu užitečných informací, ale dosud jsme naráželi na drahá zařízení, šum i optické vady. Díky našemu řešení získáváme ostrý obraz bez zkreslení, a to i za velmi slabého světla.“

Obraz ostrý i v úplné tmě

Klasické čočkové systémy trpí omezenou hloubkou ostrosti a často deformují obraz. Nová „lensless“ kamera nabízí oproti tomu hloubku ostrosti přes 35 centimetrů a zorné pole širší než 6 cm. V praxi to znamená, že dokáže udržet ostrý obraz na různých vzdálenostech současně – od předmětů vzdálených pár centimetrů až po ty o desítky centimetrů dále.

Při testech vědci snímali drobné testovací vzory i keramickou figurku králíka. Výsledkem byly jasné snímky, a to dokonce při intenzitě pouhých 1,5 fotonu na pulz. I v takto extrémně slabých podmínkách se podařilo rekonstruovat trojrozměrný tvar s mikrometrovou přesností.

3D bez složité optiky

Technologie není omezená jen na plošné snímky. Vědci ukázali dva způsoby, jak vytvořit 3D obraz. Prvním je metoda time-of-flight, kdy ultrarychlé laserové pulzy fungují jako přesná časová brána. Druhým je takzvané dvousnímkové zobrazení: Z mírně odlišných úhlů se pořídí dvojice obrázků, které se následně složí do hloubkové mapy.

Výsledkem je prostorové zobrazení bez složité čočkové optiky, bez deformací a s možností aplikace v reálných podmínkách – třeba v průmyslových inspekcích nebo při sledování životního prostředí.

Od starověkého Moziho k moderním laserům

Princip dírkové komory není žádnou novinkou – popsal ho už čínský filozof Mozi ve 4. století před naším letopočtem. Malý otvor v temné komoře dokáže vykreslit obraz venkovní scény, byť převrácený. Tehdy šlo o jednoduchý trik fyziky světla, dnes se stejný princip vrací ve zcela nové podobě. Díky laserům a nelineárním krystalům totiž funguje i v oblasti středního infračerveného záření, kde si klasické čočky jen těžko poradí.

Zatím jde o laboratorní prototyp, který vyžaduje poměrně robustní laserovou aparaturu. Výzkumný tým však věří, že s nástupem nových materiálů a miniaturizovaných zdrojů světla se technologie stane kompaktní a dostupnou. Do budoucna chtějí zvýšit citlivost systému, umožnit dynamickou změnu „optické dírky“ pro různé scény a rozšířit rozsah vlnových délek až do terahertzové oblasti.