Uusi optiikkateknologia mahdollistaa entistä pienemmät kamerat laadusta tinkimättä

Tampereen yliopiston tutkijat Karén Eguiazarian, Vladimir Katkovnik, Seyyed Reza Miri Rostami ja Igor Shevkunov ovat kehittäneet yhdistelmäoptiikkaa, jossa mittakaava on yli sata kertaa pienempi kuin perinteisillä yhdistelmäobjektiiveilla. Tutkimusyhteistyöhön ovat osallistuneet tutkija Samuel Pinilla Isosta-Britanniasta (Science and Technology Facilities Council, Harwell), sekä Arka Majumdar ja Johannes E. Fröch Yhdysvalloista (University of Washington, Seattle).

– Nykyaikaiset kamerat on optimoitu tuottamaan laadukkaita kuvia. Ne koostuvat tyypillisesti monista objektiiveista, joilla kompensoidaan geometrisia ja kromaattisia poikkeamia. Tämä kuitenkin lisää kameran kokoa ja painoa. Tutkimuksessamme oli tavoitteena tehdä kameroista pienempiä ja kevyempiä säilyttäen samalla korkea kuvanlaatu, Eguiazarian kertoo.

Viime aikoina aihetta on tutkittu laajasti optiikan ja fotoniikan aloilla. Litteästi taittuvan metaoptiikan käyttö pienoisvärikameroissa tavanomaisten taiteobjektiivien sijaan on aiheuttanut kasvavaa kilpailua ja johtanut nopeasti päästä-päähän-suunnittelukehykseen, jossa hyödynnetään nykyaikaisia neuroverkkoja.

Laadukasta kuvantamista vain kahden optisen elementin avulla

Vaikka tekniikan potentiaali on suurelta osin kyetty osoittamaan tutkimuksessa, raportoitu suorituskyky on edelleen rajallinen. Tämä johtuu taittumisen metaoptiikan perusrajoituksista, kuten kalibrointivirheistä tai siitä, että mallinnetut ja tulokseksi saadut kokeelliset pistehajautustoiminnot eivät sovi yhteen.

Ratkaisu pulmaan on laskennallinen kuvantaminen, jossa digitaalinen taustaosa paikkaa optisten komponenttien puutteita ja parantaa kuvanlaatua. Laskennallisesta kuvantamisesta on siten tullut monitieteinen tutkimusala, joka yhdistää optiikkaa, matematiikkaa ja digitaalista kuvankäsittelyä.

Tutkimuksessa esitetään yllä mainittujen rajoitusten ratkaisemiseen ja pienoisvärikameran havainnollistamiseen uudenlaista optiikan suunnittelumenetelmää, jossa hyödynnetään litteää yhdistelmämetaoptiikkaa (objektiivi + metapinta).

Tutkimuksessa kehitetyssä kamerassa on 5 mm objektiiviaukko sekä 5 mm polttoväli. Sitä voidaan soveltaa korkealaatuiseen nelivärikuvantamiseen. Korkealaatuinen kuvantaminen on näin ollen mahdollista vain kahdella optisella elementillä, mikä näkyy myös pienoiskameran mitoissa.

– Yhdistelmämetaoptiikkaa hyödyntävän kameran kuvien laadun on osoitettu olevan ylivertainen verrattuna kaupallisten kameroiden yhdistelmäobjektiivien optiikkaan. Pienoiskoostaan huolimatta kameramme tuottamat kuvat ovat laadultaan ensiluokkaisia, Eguiazarian kiteyttää.

Yksi hankkeen pitkän ajan tuloksista on vaikutus kestävään kehitykseen resursseja säästäen. Koska tutkimuksessa esitettävässä kamerassa objektiiveja tarvitaan vähemmän, myös lasia tai muoveja tarvitsee käyttää huomattavasti vähemmän.