Секретная камера, которая видит всё: ученые сломали законы оптики

Специалисты применили забытый принцип камеры-обскуры — проекции через крохотное отверстие — чтобы сконструировать сверхэффективный аппарат для съемки в среднем инфракрасном спектре, обходясь без традиционных оптических элементов.

Получившаяся установка фиксирует кристально чистые кадры на дальних дистанциях даже в сумраке, где обычные устройства пасуют.

Хэпин Цзэн, глава команды из Восточно-Китайского педагогического университета, отметил, что в этом диапазоне скрыты ценные тепловые и химические сигнатуры, но стандартные приборы страдают от помех, высокой цены или нужды в охлаждении. К тому же, линзовые системы ограничены фокусом и склонны к аберрациям, требующим тонкой настройки. Их вариант — чувствительный девайс без оптики — дарит расширенный фокус и обзор по сравнению с аналогами.

В Optica, издании Optica Publishing Group, авторы разбирают технику: лазер формирует миниатюрную "световую иглу" в нелинейном кристалле, который конвертирует ИК-изображение в видимый спектр. Так достигли резкости на 35 см в глубину и поле 6 см. Установка освоила даже объемные снимки.

Кун Хуан, участник группы, подчеркнул потенциал: от ночной охраны и инспекции заводов до экологии. Благодаря упрощенной схеме и кремниевым сенсорам, технология обещает компактность, доступность и экономию энергии. Ее можно масштабировать на дальний ИК или терагерцовы волны, где линзы не справляются.

Идея камеры-обскуры уходит корнями в IV век до н. э., когда китайский мыслитель Мо-цзы описал проекцию через дыру в коробке — перевёрнутое отражение без искажений. В отличие от линз, метод дарит бесконечный фокус и универсальность по волнам.

Чтобы адаптировать его под ИК, команда создала искусственную апертуру лазером внутри кристалла. Его свойства переводят невидимый свет в регистр, доступный кремнию. Кристалл с градиентной структурой ловит лучи с разных углов, расширяя обзор. Частотный сдвиг сам по себе гасит шум, работая в полумраке.

Хуан добавил, что нелинейная микропроекция без оптики — надежный инструмент для чистых кадров в среднем ИК: широкий охват, острота, отзывчивость. Ультракороткие лазерные всплески вносят хронометраж, идеальный для слабых потоков фотонов.

Оптимальный радиус "иглы" — 0,20 мм — дал четкость на 11, 15 и 19 см при волне 3,07 мкм. Максимум — 35 см, подтверждая фокусный размах.

Далее протестировали стерео-режимы. Для динамики сняли полет матового керамического силуэта кролика с импульсами как затвором — восстановили 3D с микронной точностью по оси. При 1,5 фотонах на всплеск (имитация тьмы) шумоподавление по корреляциям сохранило объем.

Второй вариант — парные снимки мишени "ECNU" с микросдвигами: расчет дал глубину в 6 см без хронокорреляции.

Авторы признают: прототип громоздок из-за лазера, но новые материалы и мини-источники света упростят его. Сейчас фокус на скорости, чувствительности и гибкости: рост конверсии, динамика апертуры под сцену, расширение спектра.