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Historische Lochblenden‑Idee, moderne Laseroptik
Wissenschaftler der East China Normal University haben ein jahrhundertealtes Bildgebungsprinzip zu einer leistungsfähigen, linsenlosen Mittel‑IR‑Kamera (mid‑IR) weiterentwickelt, die scharfe 2D‑ und 3D‑Bilder über einen großen Tiefenbereich liefern kann. Statt Glasoptiken nutzt das System einen fokussierten Laser, um eine "optische Lochblende" in einem nichtlinearen Kristall zu erzeugen und gleichzeitig mid‑IR‑Licht in sichtbare Wellenlängen umzuwandeln, die von standardmäßigen Siliziumsensoren gelesen werden können.
Warum das wichtig ist
Mittel‑IR‑Wellenlängen enthalten wertvolle Informationen — thermische Signaturen, molekulare Absorptionsmerkmale und andere Hinweise, die im sichtbaren Bereich schwer zu erkennen sind. Konventionelle mid‑IR‑Kameras sind jedoch oft sperrig, rauschanfällig, teuer oder benötigen kryogene Kühlung. Der neue linsenlose Ansatz verspricht einen einfacheren optischen Aufbau, große Tiefenschärfe und geringeres Rauschen durch Upconversion‑Detektion, was langfristig Kosten und Energiebedarf senken könnte.
„Wir haben einen hochempfindlichen, linsenfreien Ansatz entwickelt, der eine deutlich größere Tiefenschärfe und ein größeres Sichtfeld bietet als andere Systeme“, sagt Projektleiter Heping Zeng. Kollege Kun Huang ergänzt, dass sich die Technik auf den fernen Infrarot‑ oder Terahertz‑Bereich ausdehnen lasse, in denen herkömmliche Linsen schwer herzustellen sind.
Wie es funktioniert
Ein synchronisierter ultraschneller Laserimpuls bildet eine winzige effektive Öffnung — eine "optische Lochblende" mit ungefähr 0,20 mm Radius — in einem speziell entwickelten nichtlinearen Kristall. Dieser Kristall führt eine Frequenz‑Upconversion durch: Er mischt die einfallende mid‑IR‑Szene mit dem Laserimpuls, sodass das mid‑IR‑Bild in sichtbares Licht konvertiert wird. Da der Kristall mit einer chirp‑periodischen Struktur gefertigt ist, akzeptiert er Licht aus einem weiten Winkelbereich, was ein großes Sichtfeld ermöglicht und verzerrungsfreie Bilder liefert.
Wesentliche experimentelle Ergebnisse:
- Scharfe mid‑IR‑Bilder bei einer Wellenlänge von 3,07 μm
- Tiefenschärfe über 35 cm erhalten
- Sichtfeld über 6 cm
- Effektive Bildgebung bei Eingangslichtstärken von nur ~1,5 Photonen pro Puls nach Rauschunterdrückung
3D‑Bildgebungsmodi
Die Forscher demonstrierten zwei 3D‑Methoden: Eine Time‑of‑Flight‑Rekonstruktion mit ultrakurzen Puls‑Gates zur Erreichung mikrometerpräziser axialer Auflösung und eine einfachere Zweibild‑Schnappschuss‑Tiefenmessung, die die Tiefe aus Bildern ermittelt, die bei leicht unterschiedlichen Objektabständen aufgenommen wurden. Beide Techniken funktionieren ohne konventionelle Linsen und benötigen vergleichsweise wenige Photonen.
Anwendungsfälle, Vorteile und Grenzen
Mögliche Anwendungen umfassen nächtliche Überwachung, industrielle Inspektion und Umweltüberwachung, wo mid‑IR‑Kontrast wichtig ist. Vorteile sind geringe Verzerrung, große Tiefenschärfe, Kompatibilität mit Standard‑Siliziumdetektoren und intrinsische Rauschunterdrückung durch Upconversion.
Es bleiben jedoch Einschränkungen: Aktuelle Aufbauten verwenden sperrige, synchronisierte Laser und labortypische nichtlineare Kristalle, sodass das System bislang ein Konzeptnachweis ist. Das Team arbeitet an höherer Konversionseffizienz, dynamischer Steuerung der optischen Öffnung und kompakteren integrierten Lichtquellen, die eine kommerzielle Umsetzung praktikabler machen könnten.
Langfristig weist die Methode in Richtung einer linsenlosen mid‑IR‑ und Terahertz‑Bildgebung, die zugänglicher wird und neue Möglichkeiten für tragbare, energieeffiziente Sensoren in Sicherheit, Fertigung und Fernerkundung eröffnet.
Quelle: scitechdaily
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