Apertuur: de opening die bepaalt hoeveel een lens of instrument 'ziet'
Apertuur is een technisch woord voor iets heel herkenbaars: een opening waardoor licht (of radiogolven) naar binnen valt. Het duidelijkste voorbeeld ken je van jezelf. De pupil van je oog is een apertuur: in fel zonlicht knijpt hij samen tot een klein gaatje, in een donkere kamer gaat hij wijd open om zoveel mogelijk licht binnen te laten. Een cameralens werkt volgens hetzelfde principe, met een verstelbaar diafragma dat de opening groter of kleiner maakt.
Het begrip 'apertuur' gaat inmiddels veel verder dan alleen fotografie. Ook telescopen, radiotelescopen, radarsystemen en de camera's in je smartphone draaien om de vraag: hoe groot is de opening waarmee je informatie verzamelt, en hoe slim kun je die opening maken? In toekomsttechnologie duikt het woord steeds vaker op omdat ingenieurs nieuwe manieren vinden om apertuur te vergroten, te verkleinen of digitaal na te bootsen — met gevolgen voor alles van telefooncamera's tot satellietbeelden van de aarde.
Wat is het precies?
In een gewone cameralens bestaat het diafragma uit een ring metalen lamelletjes die samen een min of meer ronde opening vormen, vergelijkbaar met de iris in je oog. Hoe wijder die opening, hoe meer licht er in korte tijd op de sensor valt. Fotografen drukken de grootte van de apertuur uit in een 'f-getal', zoals f/1.8 of f/16. Verwarrend genoeg betekent een lager f-getal een grotere opening: f/1.8 laat veel meer licht door dan f/16.
De apertuur bepaalt niet alleen hoeveel licht binnenkomt, maar ook de scherptediepte: het stuk van de foto dat scherp in beeld is. Bij een wijde apertuur (laag f-getal) is alleen het onderwerp scherp en vervaagt de achtergrond — een effect dat portretfotografen graag gebruiken. Bij een kleine apertuur (hoog f-getal) is vrijwel alles van voor- tot achtergrond scherp, wat handig is voor landschapsfoto's.
Bij telescopen en radiotelescopen krijgt 'apertuur' een bredere betekenis: het gaat dan om de diameter van de spiegel, schotel of het hele verzamelgebied van een instrument. Een grotere apertuur vangt meer licht of radiogolven op en levert scherpere, gevoeligere waarnemingen. Omdat een enkele schotel van honderden meters onbetaalbaar en technisch lastig te bouwen is, gebruiken astronomen een truc die 'synthetic aperture' (synthetische apertuur) heet: tientallen of duizenden kleinere antennes worden met elkaar verbonden en hun signalen worden na afloop met computers gecombineerd, alsof het één enorme schotel was. Dezelfde truc wordt gebruikt in radarsatellieten die de aarde in kaart brengen, bekend als synthetic aperture radar (SAR): een relatief kleine antenne beweegt over de aarde en combineert metingen over tijd tot een beeld met de scherpte van een veel grotere antenne.
Een recentere ontwikkeling is de metalens, ook wel metasurface genoemd. In plaats van gebogen glas gebruikt zo'n lens een volkomen platte plak materiaal die is bezaaid met minuscule structuren, kleiner dan de golflengte van licht. Die structuren buigen het licht net zo nauwkeurig als een klassieke lens, maar dan in een laagje dat dunner is dan een mensenhaar. Sommige ontwerpen maken het bovendien mogelijk om de effectieve apertuur elektronisch te regelen, zonder bewegende onderdelen.
Wat wil men ermee bereiken?
De drijfveer achter al dit apertuur-onderzoek is steeds een combinatie van drie wensen: meer licht of signaal binnenhalen, dat doen met kleinere en dunnere apparaten, en tegelijk de beeldkwaliteit verbeteren. Bij smartphones speelt vooral de tweede wens: fabrikanten willen telefoons dun houden, terwijl gebruikers steeds betere foto's bij weinig licht verwachten. Een grotere of variabele apertuur kan daarbij helpen, maar kost ruimte die in een slank toestel schaars is.
Bij ruimte- en aardobservatie draait het vooral om resolutie en kosten. Een radartelescoop of -satelliet met een fysiek grotere schotel levert scherpere beelden, maar wordt ook zwaarder, duurder en lastiger te lanceren. Synthetische apertuurtechnieken maken het mogelijk om met relatief compacte en betaalbare instrumenten toch de scherpte van een gigantisch instrument te benaderen.
Voor opkomende toepassingen zoals augmented reality (AR)-brillen, drones en medische endoscopen (kijkbuisjes die in het lichaam worden gebracht) is miniaturisering de hoofdreden om met apertuur te experimenteren. Een metalens weegt vrijwel niets en neemt nauwelijks ruimte in, wat cruciaal is voor apparatuur die je op je gezicht draagt of die door een bloedvat moet passen.
Voorbeelden uit de praktijk
Samsung Galaxy S9 en S20 Ultra (2018 en 2020): Samsung bouwde een mechanisch verstelbare apertuur in de hoofdcamera van deze telefoons, die kon schakelen tussen twee standen om beter te presteren bij weinig licht.
ESA Sentinel-1 (sinds 2014): deze satellieten van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA gebruiken synthetic aperture radar om, dag en nacht en door bewolking heen, de aarde te monitoren — van overstromingen tot bodemdaling.
ALMA-telescoop in Chili: het Atacama Large Millimeter/submillimeter Array combineert tientallen losse schotels tot één samenhangend waarnemingsinstrument met een synthetische apertuur die vele malen groter is dan elke schotel afzonderlijk zou kunnen zijn.
Square Kilometre Array (SKA): een internationaal project dat duizenden antennes in Australië en Zuid-Afrika met elkaar verbindt tot 's werelds grootste radiotelescoop-netwerk, momenteel in de bouwfase.
Metalenz: een Amerikaans bedrijf, voortgekomen uit onderzoek aan Harvard University, dat metalenzen commercieel maakt voor toepassingen zoals gezichtsherkennings- en dieptesensoren in consumentenelektronica.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkeling verloopt op verschillende snelheden, afhankelijk van het toepassingsgebied. Mechanisch verstelbare apertuur in smartphonecamera's bleek in de praktijk een niche: na de S20 Ultra stapte Samsung er weer van af, deels omdat slimme softwaretrucs ('computational photography', waarbij software meerdere opnames combineert tot één beter beeld) vaak een vergelijkbaar of beter resultaat opleveren zonder kwetsbare bewegende onderdelen.
Metalenzen worden al toegepast, maar vooralsnog vooral in gespecialiseerde sensoren zoals gezichtsherkenning en afstandsmeting, niet in de hoofdcamera van telefoons. De belangrijkste horde is dat het lastig is om metalenzen te maken die over het hele zichtbare kleurenspectrum even scherp presteren en die op grote schaal goedkoop te produceren zijn.
Synthetic aperture radar is inmiddels volwassen technologie met een groeiende markt: naast overheidsmissies zoals Sentinel-1 zijn er commerciële aanbieders die kleinere, goedkopere SAR-satellieten lanceren. De kwaliteit en beschikbaarheid van deze beelden nemen gestaag toe.
Radiotelescoopprojecten zoals de SKA bevinden zich nog in de bouwfase; volledige wetenschappelijke operaties worden pas later dit decennium verwacht. Dit soort megaprojecten kampen vaak met vertragingen door de technische en organisatorische complexiteit van internationale samenwerking.
Wie werken eraan?
Op het gebied van smartphonecamera's experimenteren fabrikanten als Samsung en Apple met apertuurtechniek en bijbehorende patenten. In metalenzen is Metalenz een van de meest zichtbare commerciële spelers, voortbouwend op academisch onderzoek zoals dat van natuurkundige Federico Capasso aan Harvard University.
Op het gebied van aardobservatie via SAR zijn de Europese ruimtevaartorganisatie ESA (met Sentinel-1) en commerciële bedrijven zoals Capella Space en ICEYE actief. In de radioastronomie werken de European Southern Observatory (ESO, verantwoordelijk voor ALMA samen met internationale partners) en de SKA Observatory (met deelnemende landen wereldwijd) aan instrumenten met steeds grotere synthetische apertuur. Ook NASA en het Jet Propulsion Laboratory (JPL) in de Verenigde Staten zijn betrokken bij radar- en telescoopmissies waarin apertuur een sleutelrol speelt.