В UCLA научились программировать свет. Без чипов. Без кода. Просто физикой

Инженеры Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе представили универсальную платформу для пространственного управления точечными функциями рассеяния (point spread function, PSF) в трёхмерной оптике. Работа опубликована в журнале Light: Science & Applications и, по мнению экспертов, открывает новые горизонты для микроскопии, спектроскопии и оптической обработки данных .

Говоря проще, PSF — это то, как система формирует изображение от одной светящейся точки. Представьте, что вы освещаете иголку — и наблюдаете, как её свет проецируется на экран. Способ, по которому этот свет распространяется и расплывается, и есть PSF. Управляя этим процессом, можно влиять на чёткость, глубину и пространственную выразительность визуализируемого объекта. В объёмной оптике от PSF зависит буквально всё: от фокусировки до глубины проникновения в структуру.

Благодаря новой архитектуре стало возможно проектировать трёхмерные структуры рассеяния с произвольной геометрией и распределением по пространству — без использования традиционных фильтров, подвижных элементов или цифровых алгоритмов реконструкции. То есть, трёхмерная визуализация может происходить напрямую, за счёт оптической физики.

В классических системах PSF задаётся с помощью единственной фазовой маски, установленной в объективе. Однако она обеспечивает лишь один неизменный режим работы, подобно линейке без делений. Исследователи из UCLA предложили иной подход: сформировать последовательность пассивных оптических элементов, каждый из которых выполняет свою функцию преобразования светового потока.

Эти поверхности предварительно рассчитываются и оптимизируются с помощью нейросетевых алгоритмов . Вместо ручного конструирования и подгонки, система самостоятельно обучается определять необходимую форму. После этого структура физически создаётся и начинает функционировать — без электроники или цифровой начинки.

Каждая такая поверхность несёт заданный профиль управления волновым фронтом. Совокупно они формируют точную пространственную трансформацию интенсивности в объёме. Это позволяет, например, запрограммировать поведение света так, чтобы он в пределах определённой зоны формировал нужное распределение — без задержек и постобработки.

Проведённый анализ показал: дифракционные структуры способны реализовать любую линейную операцию между входным и выходным распределением оптической энергии. Говоря по-другому, поведение света можно гибко задавать заранее — с возможностью изменять фокус, разделять спектры или направлять луч в нужные области объёма.

Особый акцент был сделан на объединённом проектировании спектральных и пространственных параметров PSF. Это даёт возможность создавать устройства для одномоментной многоспектральной съёмки — без необходимости в механическом движении или смене режимов. Камера, использующая этот принцип, способна захватывать сцену в нескольких спектрах и с разных углов сразу, без переключений.

Такой подход — полностью физический, не требующий вычислительной коррекции — предлагает исключительную гибкость для оптических систем высокой производительности . Его можно применять в компактных 3D-микроскопах, медицинских сканерах, спектральных сенсорах и при оптической передаче данных.

Этот результат обозначает важный переход для области оптических вычислений и визуализации. Вместо жёстких ограничений традиционной оптики разработчики предлагают систему, способную адаптироваться под любую задачу ещё до того, как свет достигнет сенсора.

Предполагаемые применения охватывают широкий спектр: от многоканальных сенсоров и портативных сканеров до систем объёмной фокусировки. Особенно интересным выглядит направление оптической передачи и кодирования информации, где можно добиться высокой плотности сигналов и устойчивости к шумам благодаря адаптации оптического фронта.

Проект возглавили д-р Мда Садман Сакиб Рахман и профессор Айдоган Озджан с кафедры электротехники UCLA и Калифорнийского института наносистем. Их метод сочетает математическую точность волновой оптики с возможностями глубокого обучения, что делает разработку особенно актуальной на стыке физики и вычислительных технологий.

Для работы не требуются мощные источники или редкие материалы. Все сложности находятся на стадии проектирования и симуляции, а сами компоненты изготавливаются доступными методами, включая 3D-печать и фотолитографию . Это делает платформу совместимой с промышленными задачами и тиражированием.