Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики поняли, что эта задача, возможно, станет лучшим упражнением в фотографии при сверхнизком освещении.

Но команда SLAC, в которую входили аспиранты Стэнфорда Санха Чонг и Муртаза Сафдари, профессор SLAC Ариэль Шварцман и ученые SLAC Майкл Каган, Шон Гасиоровски, Максим Вандегар и Джозеф Фриш, нашли простой способ сделать это: зеркала. Располагая зеркала в куполообразной конфигурации вокруг объекта, они могут отражать больше света в направлении камеры и одновременно отображать несколько сторон объекта.

И, команда сообщает в Журнал приборостроения, есть дополнительное преимущество. Поскольку камера теперь собирает изображения объекта, сделанные под разными углами, система является примером "визуализации светового поля", которая фиксирует не только интенсивность света, но и направление распространения световых лучей. В результате зеркальная система может помочь исследователям построить трехмерную модель объекта, такого как атомное облако.

"С помощью этой системы мы развиваем визуализацию в таких экспериментах, как MAGIS-100, до новейшей парадигмы визуализации", - сказал Сафдари.

Необычный фотографический вызов

100-метровый интерферометрический датчик атомного градиентометра, или MAGIS-100, представляет собой новый вид эксперимента, который устанавливается в вертикальной шахте в Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США. Известный как атомный интерферометр, он будет использовать квантовые явления для обнаружения проходящих волн сверхлегкой темной материи и свободно падающих атомов стронция.

Экспериментаторы выпустят облака атомов стронция в вакуумную трубку, которая проходит по всей длине шахты, а затем направят лазерный луч на свободно падающие облака. Каждый атом стронция действует как волна, и лазерный луч посылает каждую из этих атомных волн в суперпозицию квантовых состояний, одно из которых продолжает свой первоначальный путь, в то время как другое поднимается намного выше.

При повторном объединении волны создают интерференционную картину в волне атома стронция, подобную сложному рисунку ряби, возникающему после того, как камень попадает в пруд. Эта интерференционная картина чувствительна ко всему, что изменяет относительное расстояние между парами квантовых волн или внутренние свойства атомов, на которые может влиять присутствие темной материи.

Чтобы увидеть интерференционные картины, исследователи буквально сфотографируют облако атомов стронция, что сопряжено с рядом проблем. Сами облака стронция невелики, всего около миллиметра в поперечнике, а детали, которые необходимо увидеть исследователям, составляют около десятой доли миллиметра в поперечнике. Сама камера должна располагаться снаружи камеры и заглядывать в окно на относительно большом расстоянии, чтобы увидеть облака стронция внутри.

Но настоящая проблема - это свет. Чтобы осветить облака стронция, экспериментаторы направят лазеры на облака. Однако, если лазерный луч слишком интенсивен, он может разрушить детали, которые ученые хотят увидеть. Если он недостаточно интенсивный, свет от облаков будет слишком тусклым, чтобы камеры могли его видеть.

"Вы будете собирать только столько света, сколько попадает на объектив, - сказал Сафдари, - а это не так уж много".

Зеркала на помощь

Одна из идей состоит в том, чтобы использовать широкую диафрагму, или отверстие, чтобы пропускать больше света в камеру, но есть компромисс: широкая диафрагма создает то, что фотографы называют узкой глубиной резкости, когда в фокусе находится только узкий фрагмент изображения.

Другой возможностью было бы разместить больше камер вокруг облака атомов стронция. Это могло бы собрать больше переизлучаемого света, но для этого потребовалось бы больше окон или, в качестве альтернативы, установка камер внутри камеры, а там не так много места для множества камер.

По словам Шварцмана, решение появилось во время мозгового штурма в лаборатории. Пока они обменивались идеями, штатному ученому Джо Фришу пришла в голову идея зеркал.

"Что вы можете сделать, так это отразить свет, исходящий от облака, обратно в объектив камеры", - сказал Чонг. В результате камера может собирать не только гораздо больше света, но и больше изображений объекта с разных ракурсов, каждый из которых отображается на необработанной фотографии в виде отдельного пятна на черном фоне. Команда поняла, что эта коллекция отдельных изображений означает, что они разработали форму так называемой "визуализации светового поля" и, возможно, смогут восстановить трехмерную модель атомного облака, а не просто двумерное изображение.

Идея 3D-печати

При поддержке гранта на исследования и разработки, направленного лабораторией, Чонг и Сафдари взяли идею зеркала и воплотили ее в жизнь, разработав множество крошечных зеркал, которые могли бы перенаправлять свет со всех сторон атомного облака обратно в камеру. Используя некоторую алгебру и программное обеспечение для трассировки лучей, разработанное Каганом и Вандегаром, команда рассчитала только правильные положения и углы, которые позволили бы зеркалу удерживать множество различных изображений облака в фокусе камеры. Команда также разработала алгоритмы компьютерного зрения и искусственного интеллекта для использования 2D-изображений для выполнения 3D-реконструкции.

Это то, что может показаться очевидным в ретроспективе, но для достижения этого потребовалось много размышлений, сказал Шварцман. "Когда мы впервые придумали это, мы подумали: "Люди, должно быть, делали это раньше", - сказал он, но на самом деле это достаточно ново, чтобы группа подала заявку на патент на устройство.

Чтобы проверить идею, Чонг и Сафдари сделали макет с 3D-печатным каркасом, удерживающим зеркала, затем изготовили флуоресцентный объект с микро-3D-печатью, который при взгляде под разными углами обозначает "ЛАНЬ". Они сфотографировали объект с помощью зеркального купола и показали, что на самом деле они могут собирать свет под разными углами и удерживать все изображения в фокусе. Более того, их 3D-реконструкция была настолько точной, что выявила небольшой изъян в изготовлении объекта "ЛАНЬ" - рука "Е", которая была слегка согнута вниз.

Следующим шагом, по словам исследователей, является создание новой версии для проверки идеи на атомном интерферометре меньшего размера в Стэнфорде, который позволит получить первые 3D-изображения атомных облаков. Эта версия зеркального купола будет располагаться снаружи камеры, содержащей атомное облако, поэтому, если эти испытания пройдут успешно, команда затем построит версию зеркального каркаса из нержавеющей стали, подходящую для вакуумных условий внутри атомного интерферометра.

Шварцман сказал, что идеи, разработанные Чонгом, Сафдари и остальными членами команды, могут быть полезны не только в физических экспериментах. "Это новое устройство. Наше приложение - атомная интерферометрия, но оно может быть полезно и в других приложениях", - сказал он, например, для контроля качества изготовления небольших объектов в промышленности.

Исследование было поддержано Министерством энергетики, Программой лабораторных исследований и разработок. MAGIS-100 поддерживается Фондом Гордона и Бетти Мур и Управлением науки Министерства здравоохранения.