Ученые возродили камеру-обскуру для съемки в инфракрасном диапазоне

Исследователи используют лазерный свет для создания крошечного «оптического отверстия» внутри нелинейного кристалла, который также преобразует инфракрасное изображение в видимое, которое может обнаружить традиционный кремниевый сенсор камеры. С помощью этой установки исследователи получали четкие изображения с большой глубиной резкости без использования каких-либо линз, даже при очень слабом освещении. Автор: Кун Хуан, Восточно-Китайский педагогический университет

Исследователи использовали многовековую идею получения изображения через отверстие (камеры-обскуры) для создания высокопроизводительной системы формирования изображений в среднем инфракрасном диапазоне без линз. Новая камера может делать чрезвычайно четкие снимки в большом диапазоне расстояний и при слабом освещении, что делает её полезной в ситуациях, которые являются сложными для традиционных камер.

«Многие полезные сигналы находятся в среднем инфракрасном диапазоне, например, тепло и молекулярные „отпечатки“, но камеры, работающие на этих длинах волн, часто шумные, дорогие или требуют охлаждения», — сказал руководитель исследовательской группы Хэпин Цзэн из Восточно-Китайского педагогического университета. «Более того, традиционные линзовые системы имеют ограниченную глубину резкости и требуют тщательного проектирования для минимизации оптических искажений. Мы разработали высокочувствительный безлинзовый подход, который обеспечивает гораздо большую глубину резкости и поле зрения, чем другие системы».

В журнале Optica исследователи описывают, как они используют свет для формирования крошечного «оптического отверстия» внутри нелинейного кристалла, который также преобразует инфракрасное изображение в видимое. Используя эту установку, они получили четкие изображения в среднем инфракрасном диапазоне с глубиной резкости более 35 см и полем зрения более 6 см. Они также смогли использовать систему для получения 3D-изображений.

«Этот подход может улучшить ночную безопасность, промышленный контроль качества и мониторинг окружающей среды», — сказал член исследовательской группы Кун Хуан. «И поскольку он использует более простую оптику и стандартные кремниевые сенсоры, в конечном итоге он может сделать системы инфракрасного изображения более доступными, портативными и энергоэффективными. Его даже можно применять с другими спектральными диапазонами, такими как дальний инфракрасный или терагерцовый, где линзы трудно изготовить или они плохо работают».

Для создания современной системы инфракрасного изображения исследователи использовали интенсивный лазер для формирования оптического отверстия, или искусственной апертуры, внутри нелинейного кристалла. Благодаря своим особым оптическим свойствам кристалл преобразует инфракрасное изображение в видимый свет, чтобы его могла записать стандартная кремниевая камера.

Исследователи отмечают, что система формирования изображений в среднем инфракрасном диапазоне с нелинейным отверстием все еще является доказательством концепции и требует относительно сложной и громоздкой лазерной установки. Однако по мере разработки новых нелинейных материалов и интегрированных источников света технология должна стать гораздо более компактной и простой в развертывании.

Сейчас они работают над тем, чтобы сделать систему быстрее, чувствительнее и адаптируемой к различным сценариям съемки. Их планы включают повышение эффективности преобразования, добавление динамического управления для изменения формы оптического отверстия под разные сцены и расширение работы камеры в более широком диапазоне среднего инфракрасного диапазона.

Больше информации: Yanan Li et al, Mid-infrared nonlinear pinhole imaging, Optica (2025). DOI: 10.1364/OPTICA.566042