Этот крошечный, но мощный оптический чип записывает звездный свет со скоростью 88 кадров в секунду и с разрешением в 100 раз выше.
Концептуальное изображение мощного оптического чипа.
Цзифэн Цзян / Getty Images
Представьте себе устройство размером с ноготь, способное видеть мир и звёзды в цветах настолько точно, что оно значительно превосходит традиционные камеры и спектроскопы. Именно это создала группа китайских исследователей из Университета Цинхуа.
Их крошечный оптический чип, названный Yuheng (также известный как Rafael), может анализировать свет в реальном времени с точностью, которая раньше была возможна только в больших сложных лабораторных приборах.
По словам исследователей, чип обеспечивает спектральную точность (резкость) в 100 раз выше, чем у обычных фотоаппаратов, и способен различать цвета, разделенные менее чем одной десятой нанометра.
«Этот высокопроизводительный, но легко интегрируемый метод моментальной спектроскопии может способствовать прогрессу в различных областях — от материаловедения до астрофизики», — отмечают авторы исследования.
Чтобы дать вам представление о потенциале чипа, скажу, что он может значительно ускорить картографирование Млечного Пути — задачу, на которую обычно ушли бы тысячелетия (1000 лет) — и завершить ее менее чем за десятилетие.
Результат умной физики и алгоритмов
Этот чип – результат переосмысления проблемы, которая долгое время ограничивала возможности оптических устройств. Традиционно приборы визуализации разлагают входящий свет на радугу цветов для его анализа.
Чем резче цветоделение, тем больше света теряется, и тем больше и громоздче становятся приборы. Этот компромисс между разрешением и эффективностью сделал создание компактных высокоточных устройств практически невозможным.
Исследователи выбрали другой подход. Вместо физического разделения света чип Yuheng пропускает весь свет сразу, кодируя его с помощью уникального узора, сформированного внутри устройства.
Мельчайшие случайные интерференционные узоры в сочетании с кристаллом ниобата лития, преломляющим свет при подаче напряжения, позволяют чипу собирать подробную информацию о цвете. Затем, используя передовые компьютерные алгоритмы, чип декодирует свет и мгновенно восстанавливает полный цветовой спектр.
Результат потрясающий. Чип пропускает 73% света (большая часть падающего света проходит сквозь него) и снимает 88 кадров в секунду, достигая сверхвысокого цветового разрешения без потери яркости и скорости. По сути, он сжимает работу большой оптической скамьи в компактный интеллектуальный чип.
«В частности, RAFAEL зафиксировал субангстремные спектры, включая все пики атомного поглощения, до 5600 звезд за один снимок, что свидетельствует об улучшении эффективности наблюдений в 100–10 000 раз по сравнению с астрономическими спектрометрами мирового класса», — заявили авторы исследования.
Время интегрировать и масштабировать Рафаэль
Yuheng представляет собой важный шаг на пути к реализации сверхточного и высокоскоростного оптического анализа в миниатюрном практичном устройстве. Его потенциальные области применения огромны. Например, в медицине этот чип может обеспечить неинвазивный анализ тканей для выявления проблем со здоровьем.
С другой стороны, дроны могли бы использовать его для мониторинга качества почвы или обнаружения загрязняющих веществ. Беспилотные автомобили могли бы точнее различать дорожное покрытие, знаки и препятствия даже в сложных условиях освещения.
В области астрономии группа планирует испытать «Юйхэн» на Gran Telescopio Canarias в Испании — крупнейшем в мире оптическом телескопе с одной апертурой, — чтобы исследовать звезды, галактики, темную материю и черные дыры эффективнее, чем когда-либо прежде.
Однако это не означает, что он готов к использованию. Технология всё ещё находится на ранней стадии развития, и исследователи сейчас работают над повышением стабильности и интеграции чипа.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
Sourse: interestingengineering.com
