Гигапиксельная камера приближает предел разрешения
Ученые в США представили камеру в один гигапиксель, которая имеет примерно в пять раз больше пикселей, чем лучшие профессиональные сегодняшние цифровые камеры и почти в 100 раз больше, чем обычная компактная камера. Кроме того, новая камера имеет гораздо меньшую апертуру по сравнению с другими гигапиксельными устройствами, а это означает, что, в отличие от своих аналогов, она приближает свой разрешающий предел к фундаментальному пределу разрешающей способности оптических устройств. Показано также, каким образом устройство может использоваться в некоторых приложениях, включая видеоконтроль, астрономию и мониторинг окружающей среды.
В прошлом гигапиксельные картинки, это либо сшитые вместе 1000 или более мегапиксельных изображений, либо полученные путем сканирования широкоформатных панорам. Изображения типа гигапиксельный «моментальный снимок» сложнее, но есть несколько существующих вариантов или они находятся в стадии разработки. Одним из них является 3,2 гигапиксельная цифровая камера, которая будет встроена в большой синоптический телескоп (LSST - Large Synoptic Survey Telescope), оптическое устройство, строительство которого ведется на севере Чили.
Эффекты диафрагмы
В теории, разрешение мельчайших деталей с помощью линзы ограничено дифракцией, и чем больше объектив - то есть, чем больше диафрагма - тем меньшего размера детали можно идентифицировать. Диафрагма в 1 мм в состоянии разрешить около 1 Мп, в то время как диафрагма в 1 см сможет разрешить 100 мегапикселей. LSST, который будет иметь диафрагму в несколько метров, должен быть в состоянии разрешать не только изображения в гигапиксели, но и в терапиксели.
На практике, однако, большие линзы еще только стремятся к достижению своего дифракционного предела. Одной из проблем является то, что большие линзы чаще страдают от аберраций, которые размазывают изображение, особенно в области границ. Конструктора объективов обходят эту проблему использованием нескольких линз, сокращая при этом поле зрения. Тем не менее, эти устройства до сих пор вообще не в состоянии приблизиться к дифракционному пределу.
Приближение к дифракционному пределу
Не обычная камера AWARE-2
Теперь же Дэвид Брэйди (David Brady) из Университета Дьюка в Северной Каролине и коллеги утверждают, что создали камеру с настолько высоким разрешением, что оно приближается к дифракционному пределу. Известная как AWARE-2, их камера имеет диафрагму всего 1,6 см, и при этом предполагает разрешение в 1 гигапиксель. Для видимого света, это на полпути к дифракционному пределу в 2 гигапикселя.
AWARE-2 реализует «многомасштабный» проект, где сферический объектив проецирует первичное изображение на сферу. В этой сфере размещено 98 микрокамер, каждая с 14-мегапиксельным датчиком, которые перефокусируют и уточняют изображение. «Такой подход является прямым аналогом развития суперкомпьютеров с использованием массива микропроцессоров», говорит Брейди. «Мы строим суперкамеру используя массив микрокамер».
Падать в цене
Подход группы Брейди работает, потому что он заменяет одну большую камеру на композит крошечных камер, которые в меньшей степени подвержены аберрации. Это также означает сокращение расходов: рынок мобильных телефонов пришел к стоимости видеодатчиков примерно до $1 за мегапиксель и можно предположить, что камеры AWARE-2 однажды смогут стоить всего $1000 за гигапиксель. Брейди считает, что вполне возможно изготовление камер стоимостью меньше чем $100000 за один гигапиксель в 2013 году. «Мы надеемся, что наши камеры будут стоить $10000 через 5-10 лет», говорит он.
Тем не менее, не все в восторге. Инженер Дэвид Полок (David Pollock) из Университета Алабамы в Хантсвилле считает, что AWARE-2 страдает от «нехватки фокусного расстояния». Более короткие фокусные расстояния, как правило, имеют более низкие "f-числа» - то есть, более широкие относительные апертуры - в результате чего уменьшается тепловой шум. С другой стороны, чем короче фокусное расстояние, тем меньше увеличение: предметы, записанные на датчик камеры, кажутся очень далекими.
Минимальное фокусное расстояние
Это относится и к AWARE-2, которая имеет очень широкий угол обзора в 120°. Но Брэйди не считает эту особенность недостатком. «По моему опыту, конструктора объективов зачастую рассматривают возможность сведения к минимуму фокусного расстояния, как положительную тенденцию», говорит он.
«Я бы сказал, что эта дискуссия попадает в сердце дилеммы первопроходца в битве между хорошим и отличным», добавляет он. «Нынешние высокопиксельные устройства для аэрофотосъемки и астрономии очень хорошие системы и их дизайнеры естественно решаются полагать, что лучший подход еще впереди ... Это увлекательная битва».
Исследователи также показали, каким образом камера может быть использована в целом ряде различных приложений. В одном из примеров, камера дала изображение озера в Северной Каролине, и после его анализа было определено, сколько лебедей на озере. В другом примере, такие детали как автомобильные номерные знаки и отдельные лица были выбраны из фрагментов изображения.