Исследователи построили оптику, которая учитывает в работе нейронные процессы адаптации, исправляющие неточную картинку. Результат оказался потрясающим – одни и те же очки с новыми линзами одинаково успешно корректируют целый ряд дефектов зрения. А ещё они обеспечивают человеку эффект невероятной для традиционных линз глубины резкости.

Дальнозоркость, близорукость, астигматизм, старческая утрата хрусталиком эластичности (пресбиопия) — все они приводят к тому, что человек не может одинаково хорошо сфокусироваться и на близких, и на удалённых предметах. Распространённый выход из такого положения — бифокальные очки. Но они обладают недостатком: необходимо смещать направление взгляда, чтобы смотреть через разные сектора линз, это не всегда удобно, да и поле зрения получается ограниченным, а переход между зонами — скачкообразным.

Зеев Залевский (Zeev Zalevsky) из университета Бар-Илана предложил иное решение проблемы (кратко об этом изобретении мы уже писали в статье). Его линзы одинаково хорошо фокусируют свет от любого предмета, расположенного на расстоянии от 33 сантиметров и до горизонта. Секрет инновации — в дополнительных оптических элементах.

Рис. 1. Положение дополнительных оптических элементов (тут упрощённо показаны только два) на поверхности основной линзы. Рисунок из патента Залевского (на врезке) (иллюстрации с сайтов freepatentsonline.com, biu.ac.il).

Чтобы построить суперочки, Зеев разместил на поверхности обычной линзы массив из 25 выгравированных структур. Каждая обладает поперечником два миллиметра и состоит из концентрических колец шириной в десятые доли миллиметра и глубиной в микрометр.

Эти элементы немного смещают фазу проходящего через них излучения. А в результате интерференции соседних волн возникает эффект канала, в котором получается чёткое изображение от объектов, удалённых на разное расстояние.

Рис. 2. Сравнение линзы с расширенной глубиной фокуса (EDOF), вверху, и обычной (внизу). В последнем случае поток света равномерно сжимается в условную точку, и только в ней формируемое изображение будет совершенно резким.В линзе Залевского за счёт интерференции сжимающийся поток формирует вытянутый сфокусированный канал. Картинка остаётся чёткой на всём его протяжении, то есть чувствительная матрица фотоаппарата или глаз человека могут смещаться ближе или дальше по отношению к линзе без потери фокуса (иллюстрация Xceed Imaging).

Главное в такой конструкции — филигранный компьютерный расчёт, позволяющий заранее предсказать, как добавочные микроскопической канавки будут влиять на волновой фронт. «Точное количество и размер набора структур будет меняться от одного объектива к другому, в зависимости от его размера и формы», — объясняет учёный.

Надо отметить, что своё изобретение он сделал ещё несколько лет назад и вот уже четыре года развитием данной технологии занимается израильская компания Xceed Imaging, одним из основателей которой является Зеев.

Однако до сих пор главные усилия инженеров были сосредоточены на использовании такой всефокусной оптики в цифровых камерах. В данной области уже было проведено несколько экспериментов. Теперь же на первый план вышло офтальмологическое направление.

Рис. 3. Съёмка через объектив с расширенной глубиной фокуса (фото Xceed Imaging).

Тут интересно, что технология EDOF не лишена недостатков. Интерференция гасит часть волн, а в результате падает контрастность изображения. Это не проблема для цифровой техники, но как отреагирует на такое падение человек в новых очках? Вдобавок при смене направления взгляда его взор будет проходить между соседними корректирующими структурами, так что эффект идеальной резкости будет то пропадать, то появляться.

Чтобы прояснить все эти моменты, Залевский провёл испытания новых линз на 12 добровольцах. Выяснилось, что мозг хорошо адаптируется к снижению контрастности всего за несколько секунд.

Пробелы в сфокусированном изображении человек без труда достраивает в голове. Так мы, не задумываясь, распознаём кошку в кустах, даже несмотря на то, что ветки делят единый образ на разрозненные фрагменты. (Детали опыта с очками можно узнать из статьи в Optics Letters.)

Рис. 4. Опытный образец объектива EDOF на модуле цифровой камеры мобильника (фото Xceed Imaging).

Получается, что гибкость человеческого зрения не хуже компьютерной обработки скрадывает недостатки схемы Залевского, зато позволяет в полной мере насладиться её достоинствами. Теперь можно надеяться, что израильское изобретение найдёт применение на практике.

Кстати, Xceed Imaging не оставила намерения продвигать технологию всефокусных линз и в цифровой технике. На основе всё той же идеи компания разработала твердотельный оптический зум без подвижных линз и всякой механики.

Такая оптика, говоря упрощённо, одновременно формирует изображения с разным увеличением, а зумирование происходит за счёт последующей цифровой обработки. Но это не классический цифровой зум, при котором из кадра, зафиксированного матрицей, просто вырезается центральная часть и растягивается. По идее, Solid State Zoom позволяет получить увеличение без потери качества. Опыты с такими системами будут продолжены.

По материалам: