محققان با الهام‌گیری از یک جاندار منقرض‌شده، دوربینی با عمق میدان بی‌نظیر ساخته‌اند که همه چیز را در فاصله 3 سانتیمتر تا 1.7 کیلومتری، در فوکوس لنز خود نگاه می‌دارد

در عکاسی، عمق میدان depth of field به توانایی دوربین در فوکوس روی حجم میعنی از فضای سه بعدی گفته می‌شود. در عمق میدان کم، سوژه را در عکس واضح می‌بینیم، اما بسیاری از اشیای پیش زمینه و پس زمینه مح واست. اکنون، محققان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری از سه‌لَپی‌های trilobyte باستانی الهام گرفته‌اند تا دوربین جدیدی را با عمیق‌ترین عمق میدانی که تاکنون ثبت شده، بسازند.

سه‌لَپی‌ها حدود نیم میلیارد سال پیش در اقیانو‌س‌ها می‌زیستند و نیاکان دور خرچنگ‌های نعل اسبی امروزی بودند. سیستم‌های بینایی آن‌ها کاملاً پیچیده بود، آنها چشم‌های مرکبی داشتند که بین ده‌ها تا هزاران واحد کوچک مستقل داشت که هر کدام قرنیه، عدسی و سلول‌های گیرنده نوری خاص خود را داشت.

سه‌لَپی‌ خاصی به نام، Dalmanitina socialis، توجه محققان NIST را به دلیل ساختار چشم ترکیبی منحصر به فرد به خود جلب کرد. بررسی سوابق فسیلی نشان می‌دهد که این موجود برخلاف دیگر بندپایان امروزی، لنزهای دولایه در سراسر سیستم بینایی خود داشت و لایه‌های بالایی این لنزها دارای برآمدگی در وسط بودند که نقطه فوکس دوم را ایجاد می‌کرد. به عبارت دیگر Dalmanitina socialis می‌توانست هم بر روی طعمه‌ای که در جلوی آن قرار داشت و هم بر شکارچیانی که ممکن بود از دورتر نزدیک می‌شدند، تمرکز کند.

تیم تحقیقاتی تصمیم گرفت ببیند که آیا می‌تواند این  ایده را در یک دوربین به کار گیرد یا نه.  دوربین‌های معمولی نور را دریافت می‌کنند و اطلاعات رنگ و درخشندگی را در یک شبکه دو بعدی ثبت می‌کنند، دوربین‌های میدان نوری light field بسیار پیچیده‌تر هستند و نه تنها رنگ و درخشندگی، بلکه جهت هر پرتو نوری را که وارد حسگر می‌شود رمزگذاری می‌کنند.

وقتی کل میدان نوری به این شکل ثبت می‌شود، اطلاعات کافی برای بازسازی صحنه از نظر رنگ، عمق و شفافیت در اختیار شما قرار می‌گیرد و می‌توانید مواردی مانند فوکوس، عمق میدان، زاویه  و … را تنظیم کنید.

به گفته تیم NIST، مشکلی که تا حالا وجود داشته، افزایش عمق میدان بدون از دست دادن وضوح فضایی، یا از دست دادن اطلاعات رنگی، یا بستن دیافراگم بدون ایجاد مشکل سرعت شاتر بوده است و اینجاست که این لنزهای دو کانونی تریلوبایتی الهام بخش شده‌اند.

این تیم یک سطح صاف شیشه‌ای طراحی کرد که با دسته‌ای از ستون‌های دی‌اکسید تیتانیوم کوچک، مستطیلی شکل و در مقیاس نانو پوشانده شده بود. هر یک از این ستون‌ها شکل و جهت‌گیری متفاوتی داشتند تا نور را به صورت خاصی از خود عبور دهند.

مشکل این بود که یک سنسور تنها می‌توانست از یکی از نقاط کانونی تصویری متمرکز بگیرد.

دو فاصله کانونی توسط پراکنش دایره‌ای شکل می‌گرفت و دو فاصله کانونی دیگر توسط شکل‌ فلزات ایجاد می‌شد، اینها به گونه‌ای با هم تطبیق داده می‌شدند که نقاط کانونی نزدیک و دور بتوانند در یک صفحه تصویربرداری همگرا شوند.

این تیم یک آرایه فلزی 39×39 را طراحی و ساخت، که نقطه کانونی نزدیک آن تنها 3 سانتی متر  و نقطه دور در 1.7 کیلومت رتنظیم شده  و یک الگوریتم بازسازی تصویر را با استفاده از شبکه‌های عصبی طراحی و کدنویسی کرد تا تمام انحرافات اصلاح شود.

با اینکه دو نقطه کانونی آن بیش از یک مایل از هم فاصله دارند، الگوریتم بازسازی می‌تواند هر آیتمی را که بین آنها قرار داده شده است را به وضوح بازسازی کند، و یک تصویر نهایی ایجاد کند که می‌تواند بیشترین عمق میدان را داشته باشد.

این دوربین میدان نوری نانوفوتونیکی الهام گرفته شده زیستی، همراه با پس پردازش محاسباتی، نه تنها می‌تواند به تصویربرداری تمام رنگی با DoF شدید دست یابد، بلکه می‌تواند انحرافات نوری ناشی از آن را نیز حذف کند.

این تیم پژوهشی معتقد است که این فناوری می‌تواند در عکاسی روتین، میکروسکوپ نوری و بینایی ماشینی مفید باشد، اما از آنجایی که در مرحله تحقیقات است، انتظار نداریم به این زودی‌ها وارد بازار شود.

این تحقیق در مجله Nature Communications منتشر شده است.