- PVSM.RU - https://www.pvsm.ru -

Американские учёные создали прототип плоской камеры без объектива

С момента изобретения фотографии основной принцип работы фотоаппарата оставался неизменным — свет, проходя через отверстие в передней части камеры, формировал изображение на её задней стенке. Крошечное отверстие камеры обскуры с мизерной светосилой сменилось стеклянными объективами, химические фотопластины и плёнки уступили место электронным сенсорам, но фотоаппарат всё время оставался “трёхмерным” устройством, глубина которого как минимум не уступала длине и ширине.

Учёные из Университета Райса в Хьюстоне (штат Техас) создали прототип фотоаппарата принципиально нового типа — он лишь ненамного толще самого оптического сенсора. В отличие от условно “плоских” фотоаппаратов, построенных по принципу фасеточного глаза [1] насекомых, в камере FlatCam [2] вообще не применяются ни обычные, ни миниатюрные линзы. Показанные на видео ниже тестовые снимки имеют разрешение 512 на 512 пикселей. Фотографии сделаны внутри помещения без дополнительных источников света с выдержкой в 1/50 — 1/100 секунды, цифровая обработка каждого кадра на серийном ноутбуке занимает от 75 миллисекунд, что даёт возможность работать в реальном времени с видео с частотой кадров порядка 10-15 FPS.



Для прототипа учёные взяли производимую серийно ПЗС-матрицу Sony ICX285 CCD (pdf) [3]. Изображение формируется с помощью кодирующей апертуры — специально подобранного узора прозрачных и непрозрачных областей на поверхности кварцевой пластины, прикреплённой непосредственно к сенсору. Это напоминает камеру обскуру, но не с одним, а с множеством отверстий. Их общая площадь может составлять порядка 50% от площади сенсора, что на несколько порядков больше площади единственного отверстия пинхол-камеры. Поэтому светосила FlatCam сравнима со светосилой традиционных камер. При массовом производстве создание сенсора и кодирующей апертуры можно совместить в единой технологической операции — с конвейера завода-производителя матриц могут выходить уже готовые камеры.

Американские учёные создали прототип плоской камеры без объектива - 1
Так выглядит узор кодирующей апертуры

Сам принцип кодирующей апертуры [4] не нов — его уже давно применяют в рентгеновской и гамма-астрономии. Дело в том, что для этих диапазонов электромагнитных волн невозможно или очень трудно создать зеркала и линзы. В оптическом диапазоне до недавнего времени такие камеры безнадежно проигрывали обычным, так как во-первых, у них гораздо хуже соотношение сигнал-шум, а во-вторых, они требуют значительных вычислительных мощностей для обработки изображения.

Развитие малошумных чувствительных сенсоров с одной стороны и рост производительности процессоров с другой наконец-то дали возможность создать фотокамеру с кодирующей апертурой, которая имеет приемлемые характеристики. Через десяток-другой лет качество и скорость обработки изображения с таких камер может возрасти многократно, как это было с обычными цифровыми камерами. Вот, для сравнения, один из первых экспериментальных цветных цифровых снимков, сделанный Брайсом Байером [5] в 1974 году:

image
Источник фотографии [6]

Практически нулевая толщина и перспектива очень дешевого массового производства могут радикально изменить наши представления о возможностях видеокамер. Например, система наблюдения из многих сотен малозаметных камер, от которых невозможно будет спрятаться в мертвых зонах, и отключить которые можно будет разве что мощным электромагнитным импульсом. Или сверхлёгкие и компактные системы компьютерного зрения для миниатюрных дронов и медицинских зондов. Или гибкая плёнка с сетью оптических сенсоров, которой можно будет придать любую форму.

Автор: ilya42

Источник [7]


Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru

Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/nauchno-populyarnoe/112664

Ссылки в тексте:

[1] построенных по принципу фасеточного глаза: https://habrahabr.ru/company/nordavind/blog/188620/

[2] камере FlatCam: http://arxiv.org/abs/1509.00116

[3] ICX285 CCD (pdf): http://www.ccd.com/pdf/ccd_285.pdf

[4] кодирующей апертуры: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D1%80%D1%83%D1%8E%D1%89%D0%B0%D1%8F_%D0%B0%D0%BF%D0%B5%D1%80%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0

[5] Брайсом Байером: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80_%D0%91%D0%B0%D0%B9%D0%B5%D1%80%D0%B0

[6] Источник фотографии: http://www.seanlahman.com/2012/02/digital-camera-pioneers/

[7] Источник: https://geektimes.ru/post/271278/