Кусок стекла превратили в оптический мозг: он сам управляет светом, кадром и фокусом
NewsMakerТо, что раньше делал суперкомпьютер, теперь делает кусок материи.
Инженеры Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе представили универсальную платформу для пространственного управления точечными функциями рассеяния (point spread function, PSF) в трёхмерной оптике. Работа опубликована в журнале Light: Science & Applications и, по мнению экспертов, открывает совершенно новые горизонты для микроскопии, спектроскопии и оптической обработки данных .
Если говорить проще, PSF — это то, как система фокусирует свет от одной точки. Представьте себе, что вы освещаете иголку — и смотрите, как этот свет расплывается на экране. То, как именно он расплывается — это и есть PSF. Управляя этой «точкой», можно контролировать, насколько чётко и глубоко вы видите объект. В трёхмерной оптике от PSF зависит буквально всё: и резкость изображения, и то, насколько глубоко вы «заглядываете» внутрь структуры.
На базе новой архитектуры можно проектировать и реализовывать любые 3D-структуры PSF с произвольной формой и изменением по пространству. Причём без необходимости в традиционных оптических фильтрах, фокусировочных механизмах или цифровой реконструкции изображения. Это означает, что визуализация сложных трёхмерных сцен может происходить буквально в одно оптическое касание — полностью за счёт самой физики света.
В привычных системах PSF задаётся за счёт одной-единственной тонкой «плёнки» — фазовой маски — которая стоит в линзе или объективе. Проблема в том, что одна маска даёт только одну фиксированную функцию, как линейка без делений. А в новой работе инженеры придумали способ собрать цепочку из нескольких пассивных оптических поверхностей, каждая из которых добавляет свой вклад — как если бы у линейки появилась гибкость и она могла изгибаться под задачу.
Все эти поверхности заранее проектируются и оптимизируются при помощи нейросетей . То есть, вместо того чтобы «вручную» рассчитывать, как изогнуть каждый элемент, система обучается находить нужную форму сама. А затем полученная конфигурация физически изготавливается и начинает работать — без электроники, без программного кода, просто пропуская свет.
Каждая такая поверхность «зашивает» в себя определённую функцию управления волновым фронтом, и в совокупности они реализуют необходимую трёхмерную трансформацию распределения интенсивности. Это позволяет, например, ввести произвольную модуляцию света в заданном объёме и получить заранее запрограммированное распределение на выходе — при этом всё происходит в реальном времени, без цифровой интерпретации сигнала.
Исследователи провели системный анализ возможностей таких дифракционных структур и доказали, что они способны реализовывать любую линейную трансформацию между входными и выходными объёмами светового поля. Проще говоря, свет можно «перенастроить» внутри самого пространства, чтобы он фокусировался, разделялся по цветам, концентрировался в нужных точках — и всё это можно спроектировать заранее.
Особое внимание было уделено совместному проектированию спектральных и пространственных характеристик PSF. Такой синтез даёт возможность создавать устройства для одномоментной многоспектральной съёмки в 3D — и делать это без какого-либо сканирования, смены фильтров или вычислительной реконструкции. Представьте камеру, которая сразу видит объект в нескольких цветах и под разными углами, не двигаясь и не переключая режим — именно такой эффект и достигается.
Этот полностью физический подход предлагает исключительную гибкость для высокоскоростных и высокопроизводительных оптических систем , где каждая миллисекунда критична. Например, его можно использовать в компактных 3D-микроскопах, системах оптического скрининга, приборной спектроскопии, а также при передаче и кодировании данных с помощью света.
Разработка представляет собой важный рубеж для всей области оптических вычислений и визуализации. Вместо того чтобы бороться с ограничениями традиционных оптических схем, авторы создали инструмент, который может подстраиваться под любые задачи, задавая нужную трансформацию в самом начале светового пути.
Потенциальные применения охватывают как компактные многоспектральные сенсоры, так и платформы для быстродействующей микроскопии с объёмной фокусировкой. Особенно перспективным выглядит направление оптического кодирования и передачи информации, где можно реализовать не только высокую плотность, но и устойчивость к искажениям благодаря возможности программной адаптации самого светового контура.
Работа была выполнена под руководством д-ра Мда Садмана Сакиба Рахмана и профессора Айдогана Озджана из кафедры электротехники и вычислительной техники UCLA и Калифорнийского института наносистем. Их методология сочетает точность волновой оптики с возможностями глубокого машинного обучения, что делает её уникальной в современном ландшафте научных разработок.
Разработка не требует высокоэнергетических источников или экзотических материалов. Вся сложность уходит в проектирование и симуляцию, а сами поверхности можно реализовать с помощью стандартных методов микрофабрикации, включая 3D-печать и фотолитографию . Это означает, что концепт пригоден не только для лабораторной демонстрации, но и для индустриальной интеграции.
Таким образом, создана основа для нового поколения оптических систем, где преобразование света происходит не в цифровом процессоре, а прямо в момент его прохождения через специально рассчитанные структуры. Это сдвигает границу между аппаратной и программной частью в сторону физики, открывая неожиданные и мощные возможности.
Инженеры Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе представили универсальную платформу для пространственного управления точечными функциями рассеяния (point spread function, PSF) в трёхмерной оптике. Работа опубликована в журнале Light: Science & Applications и, по мнению экспертов, открывает совершенно новые горизонты для микроскопии, спектроскопии и оптической обработки данных .
Если говорить проще, PSF — это то, как система фокусирует свет от одной точки. Представьте себе, что вы освещаете иголку — и смотрите, как этот свет расплывается на экране. То, как именно он расплывается — это и есть PSF. Управляя этой «точкой», можно контролировать, насколько чётко и глубоко вы видите объект. В трёхмерной оптике от PSF зависит буквально всё: и резкость изображения, и то, насколько глубоко вы «заглядываете» внутрь структуры.
На базе новой архитектуры можно проектировать и реализовывать любые 3D-структуры PSF с произвольной формой и изменением по пространству. Причём без необходимости в традиционных оптических фильтрах, фокусировочных механизмах или цифровой реконструкции изображения. Это означает, что визуализация сложных трёхмерных сцен может происходить буквально в одно оптическое касание — полностью за счёт самой физики света.
В привычных системах PSF задаётся за счёт одной-единственной тонкой «плёнки» — фазовой маски — которая стоит в линзе или объективе. Проблема в том, что одна маска даёт только одну фиксированную функцию, как линейка без делений. А в новой работе инженеры придумали способ собрать цепочку из нескольких пассивных оптических поверхностей, каждая из которых добавляет свой вклад — как если бы у линейки появилась гибкость и она могла изгибаться под задачу.
Все эти поверхности заранее проектируются и оптимизируются при помощи нейросетей . То есть, вместо того чтобы «вручную» рассчитывать, как изогнуть каждый элемент, система обучается находить нужную форму сама. А затем полученная конфигурация физически изготавливается и начинает работать — без электроники, без программного кода, просто пропуская свет.
Каждая такая поверхность «зашивает» в себя определённую функцию управления волновым фронтом, и в совокупности они реализуют необходимую трёхмерную трансформацию распределения интенсивности. Это позволяет, например, ввести произвольную модуляцию света в заданном объёме и получить заранее запрограммированное распределение на выходе — при этом всё происходит в реальном времени, без цифровой интерпретации сигнала.
Исследователи провели системный анализ возможностей таких дифракционных структур и доказали, что они способны реализовывать любую линейную трансформацию между входными и выходными объёмами светового поля. Проще говоря, свет можно «перенастроить» внутри самого пространства, чтобы он фокусировался, разделялся по цветам, концентрировался в нужных точках — и всё это можно спроектировать заранее.
Особое внимание было уделено совместному проектированию спектральных и пространственных характеристик PSF. Такой синтез даёт возможность создавать устройства для одномоментной многоспектральной съёмки в 3D — и делать это без какого-либо сканирования, смены фильтров или вычислительной реконструкции. Представьте камеру, которая сразу видит объект в нескольких цветах и под разными углами, не двигаясь и не переключая режим — именно такой эффект и достигается.
Этот полностью физический подход предлагает исключительную гибкость для высокоскоростных и высокопроизводительных оптических систем , где каждая миллисекунда критична. Например, его можно использовать в компактных 3D-микроскопах, системах оптического скрининга, приборной спектроскопии, а также при передаче и кодировании данных с помощью света.
Разработка представляет собой важный рубеж для всей области оптических вычислений и визуализации. Вместо того чтобы бороться с ограничениями традиционных оптических схем, авторы создали инструмент, который может подстраиваться под любые задачи, задавая нужную трансформацию в самом начале светового пути.
Потенциальные применения охватывают как компактные многоспектральные сенсоры, так и платформы для быстродействующей микроскопии с объёмной фокусировкой. Особенно перспективным выглядит направление оптического кодирования и передачи информации, где можно реализовать не только высокую плотность, но и устойчивость к искажениям благодаря возможности программной адаптации самого светового контура.
Работа была выполнена под руководством д-ра Мда Садмана Сакиба Рахмана и профессора Айдогана Озджана из кафедры электротехники и вычислительной техники UCLA и Калифорнийского института наносистем. Их методология сочетает точность волновой оптики с возможностями глубокого машинного обучения, что делает её уникальной в современном ландшафте научных разработок.
Разработка не требует высокоэнергетических источников или экзотических материалов. Вся сложность уходит в проектирование и симуляцию, а сами поверхности можно реализовать с помощью стандартных методов микрофабрикации, включая 3D-печать и фотолитографию . Это означает, что концепт пригоден не только для лабораторной демонстрации, но и для индустриальной интеграции.
Таким образом, создана основа для нового поколения оптических систем, где преобразование света происходит не в цифровом процессоре, а прямо в момент его прохождения через специально рассчитанные структуры. Это сдвигает границу между аппаратной и программной частью в сторону физики, открывая неожиданные и мощные возможности.