Nieuw lenstype haalt extra detail uit 'ongebruikte' lichtstralen
Onderzoekers van Princeton University hebben een manier gevonden om, in een optisch systeem, een breed blikveld te combineren met het opvangen van zeer fijne details, die normaal gesproken alleen bij ver inzoomen zichtbaar worden.
Het detail dat camera's en andere optische systemen, waaronder het menselijk oog, kunnen opvangen wordt beperkt door de hoeveelheid licht die door een lens of lenzenstelsel reist en op de detector valt, zoals een beeldsensor. Een bottleneck hierbij is volgens de onderzoekers dat veel lichtstralen te zwak zijn of te veel worden afgebogen om de sensor te bereiken. Vooral details die kleiner zijn dan de golflengte van het licht dat door het systeem reist, hebben hieronder te lijden.
Het onderzoeksteam van Princeton University heeft een nieuwe methode bedacht om het extra detailpotentieel toch te kunnen benutten. Het team heeft hiertoe een lens ontwikkeld die is gemaakt van een niet-lineair optisch materiaal. Dit materiaal, kristallijn strontium barium niobate, heeft als eigenschap dat lichtstralen die erdoor reizen elkaar kunnen beïnvloeden. Door deze eigenschap kunnen lichtstralen die de sensor niet bereiken, aan de hand van de andere lichtstralen die wel op de sensor vallen gereconstrueerd worden. "In een dergelijk beeld zullen alle delen van een scène als het ware tegelijkertijd ingezoomd zijn", aldus Jason Fleischer, universitair docent Elektrotechniek bij de Princeton University. Wel is dit beeld vervormd.
Bij de proefopstelling maakten de onderzoekers gebruik van apparatuur om een hologram op te nemen; ze combineerden dit hologram met een foto van een normale camera. Met behulp van een gesimplificeerd model van de lichtbrekingen in het kristal ontwikkelden de onderzoekers een rekenmethode om met behulp van het vervormde beeld elk punt tussen het beeld en het object te berekenen. Met de nieuwe methode waren de onderzoekers in staat om zeer fijne details met behulp van normaal licht op te vangen, waarvoor normaal gesproken ultraviolet licht of röntgenstraling nodig zou zijn. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het vaktijdschrift Nature Photonics van april.
De technologie kan volgens de onderzoekers onder meer gebruikt worden in microscopen en andere apparatuur waarvoor een zeer hoge resolutie nodig is, maar kan ook worden toegepast voor tomografie en voor lithografie. Bij deze laatste wordt het proces omgekeerd, zodat zeer fijne structuren geëetst kunnen worden.
Reacties (37)
Leuk onderzoekje hoor, maar zolang sensorpixels nog een biljoen keer groter zijn dan de golflengte van het licht heeft deze techniek voor min of meer gewone mensen nog niks te brengen. Maak me maar wakker als Canon een 12 exapixel camera op de markt brengt.
Hubble 2.0?
Wellicht kan deze techniek ook daar toegepast worden, maar ik heb te weinig kennis van lichtgolven en spectra om dit te kunnen beloven.
[Reactie gewijzigd door Tielenaar op dinsdag 28 april 2009 10:04]
Met de telescopen die jij noemt (onzichtbare spectrum etc.) is dit namelijk ook mogelijk, en krijg je dus ongeveer hetzelfde plaatje als met de Hubble, maar dan dus inderdaad met veel meer informatie die ook echt nuttig is voor wetenschappers
Met behulp van een gesimplificeerd model van de lichtbrekingen in het kristal ontwikkelden de onderzoekers een rekenmethode om met behulp van het vervormde beeld elk punt tussen het beeld en het object te berekenen. Met de nieuwe methode waren de onderzoekers in staat om zeer fijne details met behulp van normaal licht op te vangen, waarvoor normaal gesproken ultraviolet licht of röntgenstraling nodig zou zijn
Een deel van de nodige toepassing voor telescopen zit al in de berekende softwarematige oplossing. De lens vangt licht dat voor onze ogen niet zichtbaar is. Laat ze hier maar aan verder werken en dan komt dat wel in orde in die toepassingen waar ze het nodig hebben
De resolutie van een optisch systeem wordt bepaald door de golflengte, en door de numerieke aperture. Dat laatste is de conus van lichtstralen die je opvangt.
Beiden zitten in microscopie aan hun maximum. Voor tal van redenen kun je vaak niet naar lagere golflengtes.. en bij olie immersie objectieven zit je al met een enorme hoek, die niet meer groter te maken is.
Door nu deze niet-lineaire lens te gebruiken, kun je een grotere hoek opvangen, en tot beeld verwerken. Daarmee krijg je dus hogere resolutie. En dat komt dan overeen met dezelfde hoek, maar dan met een kleinere golflengte.
Voor telescopen is deze technologie niet toepasbaar.
en dan niet bedoel ik niet alleen de "leuke plaatjes":
http://news.nationalgeographic.co.uk/news/2005/04/photogalleries/hubble/
http://hubblesite.org/hubble_discoveries/
En de opvolger van Hubble zit er dus wel aan te komen dat is de James Webb Space Telescope (JWST).
Lijkt me dus niet zo geschikt voor Hubble...
De clou is immers dat je non-lineaire materiaal lichtstralen met een grote hoek opvangt, en het omzet in een kleinere hoek. (En effectiever dan een lens dat zou doen.) Maar dat kan dus alleen maar, wanneer die non-lineaire lens relatief dicht bij je voorwerp staat. Bij een telescoop heb je die mogelijkheid niet, en zijn alle stralen vrijwel parrallel, zelfs al is je lens zo groot als de hele aarde.
Daarom dat de toepassings mogelijkheden typisch bij microscopie e.d. gezocht worden.
Pics, or it didn't happen.
Tevens is er waarschijnlijk een hoop rekenkracht nodig om de onderliggende gegevens naar voren te brengen. Dit zou dan opgelost kunnen worden door de berekeningen later thuis uit te voeren op een pc door als het ware RAW op te slaan, en dan thuis via berekening enorme files te genereren.
Voor de wetenschap is dit een stuk interessanter omdat je daar wel de rekenkracht bij de sensor kan plaatsen.
Ik heb het nature artikel al opgevraagd aan een vriend op de universiteit, want mocht de hoeveelheid rekenkracht mee vallen, dan is dit een perfecte manier om meer detail te verkijgen bij nachtzicht. Ik heb er echter een hard hoofd in dat dit toepasbaar gaat worden in een realtime portable omgeving.
Deze techniek heeft niets te maken met golflengtes die je met het menselijk oog niet kunt waarnemen. Die golflengte afhankelijkheid wordt alleen genoemd, omdat dat in microscopie nog de enige mogelijkheid is om de resolutie te verhogen.
Verder werkt dit niet voor fotografie, nachtkijkers, telescopen e.d., omdat je niet-lineaire kristal heel dicht bij je onderwerp moet staan. (Anders kun je die grote hoeken niet opvangen)
Als laatste zal bij een nachtkijker je voornamelijk door de ruis beperkt worden, en niet door de resolutie. Wellicht dat deze techniek effectief gezien een grotere aperture heeft, maar dat zal dus alleen voor microscopen interessant zijn, aangezien alleen daar je je kristal dicht genoeg bij je onderwerp krijgt.
Nu ik het een tweede keer lees kan dit inderdaad alleen voor korte afstand bedoeld zijn. Hoewel nachtzicht wel toegepast wordt in microscopen voor het volgen van lichtarme zeer snelle processen, dus daar zou het nog steeds uitkomst kunnen bieden.
EDIT:
Zie hier voor het effect: non-linear imaging
Bron: het artikel uit nature photonics.
Offtopic:
Nachtkijkers worden, afhankelijk van het type, pas gelimiteerd door de ruis bij een zeer laag lichtniveau, bijvoorbeeld een maanloze nacht met bewolking. Daarboven zal de MTF afhangen van zowel de ruis als de resolutie en dit is het meest interessante gebied voor verbeteringen. Als het echt donker is zal nachtzicht slechts een slechte vorm van detectie zijn, en kun je beter met thermisch beeld aan te gang.
[Reactie gewijzigd door FireAge op dinsdag 28 april 2009 12:43]
Dit hangt er echt 100% van af wat voor berekeningen het zijn. In het geval het masaal parelliseerbaar is, zou je allicht met het zelfde stroomverbruik als een laptop 3D kaart het real-time kunnen doen.Tevens is er waarschijnlijk een hoop rekenkracht nodig om de onderliggende gegevens naar voren te brengen. Dit zou dan opgelost kunnen worden door de berekeningen later thuis uit te voeren op een pc door als het ware RAW op te slaan, en dan thuis via berekening enorme files te genereren.
Als het niet paralelliseerbaar is (lekker veel crossreference) dan zal je het 'renderen' thuis op je pc moeten doen, gok ik zo.
Bij microscopie is het f-nummer direct gekoppeld aan de resolutie, en daardoor krijg je met een snellere lens, een hogere resolutie.
In de microscopie ben je diffractie gelimiteerd, en daardoor dat het f-nummer belangrijk is. Bij fotografie ben je alleen bij hoge f-nummers ( > f/8) diffractie gelimiteerd, maar daaronder wordt je beperkt door lens abberaties.
[Reactie gewijzigd door deleenheir op dinsdag 28 april 2009 10:47]
Op dit item kan niet meer gereageerd worden.
Populair: Samsung Websites en communities Mobiele telefoons Laptops Sony Games Microsoft Politiek en recht Consoles Microsoft Xbox One
© 1998 - 2013 Tweakers.net B.V. Contact Over Tweakers Jouw privacy Algemene voorwaarden Cookies
Tweakers wordt uitgegeven door De Persgroep en wordt gehost door True
