Камера в смартфоне ловит свет крошечными датчиками, но сами по себе они не различают цвета. Поэтому перед ними ставят цветные фильтры: красный, зелёный, синий — как витражи в окне. Каждый датчик видит только свой цвет, а потом программа собирает из этих кусочков полную картинку. Но есть другой способ: вместо фильтров можно поставить наноструктуру, которая сама разводит свет по цветам, как призма, раскладывающая белый луч на радугу. Такая структура называется цветным маршрутизатором, и она не поглощает свет, а просто направляет его в нужное место.
Обычно такие маршрутизаторы проектируют, светя на них ровным пучком света строго сверху. Но в настоящей камере свет проходит через линзу, и на каждый датчик он падает не одним ровным пучком, а целым веером лучей под разными углами. Учёные из этой работы решили проверить, что будет, если проектировать маршрутизатор сразу под такой «веер», а не под ровный пучок. Они взяли реальную модель камеры и рассчитали, как свет от объектива падает на датчик в разных точках кадра. Потом они создали наноструктуру из нитрида кремния — это прочный материал, похожий на стекло, но с другими свойствами — и оптимизировали её форму так, чтобы она собирала максимум информации о цвете изображения, а не просто направляла свет в заранее заданные точки.
Сравнили новый маршрутизатор с обычным цветным фильтром. Маршрутизатор собирает в 2,8 раза больше света, но из-за наклонных лучей свет разных цветов частично смешивается, и чистота цвета падает. В итоге при ярком свете фильтр даёт более точные цвета, а при слабом — маршрутизатор: он собирает так много света, что даже с примесями цветов картинка получается информативнее. Порог оказался на уровне сигнала к шуму 13,7 децибел — это как разница между шёпотом и обычным разговором. Чтобы маршрутизатор догнал фильтр при ярком свете, нужно повысить чистоту цвета до 0,32 — такую цель авторы и ставят для будущих разработок.
Человеческий глаз тоже использует трюк с маршрутизацией света: в центре сетчатки колбочки (цветочувствительные клетки) упакованы плотнее, а палочки (для сумеречного зрения) отодвинуты на периферию. Это позволяет видеть цвета днём и различать движение в темноте.
В сериале «Видоизменённый углерод» камеры будущего вживляют прямо в глаз, и они должны работать при любом освещении — от яркого солнца до тёмной комнаты. Такие наноструктуры, адаптированные под реальные условия, могли бы стать основой для подобных устройств.