Istraživači su smanjili kameru na veličinu zrna soli
Kamere mikro veličine imaju veliki potencijal za uočavanje problema u ljudskom tijelu i omogućavanje otkrivanja za super-male robote, ali prijašnji pristupi snimali su nejasne, izobličene slike s ograničenim vidnim poljima. Sada su istraživači sa Sveučilišta Princeton i Sveučilišta Washington prevladali te prepreke ultrakompaktnom kamerom veličine zrna soli. Novi sustav može proizvesti oštre slike u punoj boji na razini konvencionalne složene leće kamere 500.000 puta većeg volumena.
Omogućen zajedničkim dizajnom hardvera kamere i računskom obradom, sustav bi mogao omogućiti minimalno invazivnu endoskopiju s medicinskim robotima za dijagnosticiranje i liječenje bolesti, te poboljšati slike za druge robote s ograničenjima veličine i težine. Nizovi tisuća takvih kamera mogli bi se koristiti za otkrivanje cijelog prizora, pretvarajući površine u kamere.
Dok tradicionalna kamera koristi niz zakrivljenih staklenih ili plastičnih leća za savijanje svjetlosnih zraka u fokus, novi optički sustav oslanja se na tehnologiju zvanu metasurface, koja se može proizvesti slično kao računalni čip. Samo pola milimetra široka, metapovršina je prošarana s 1,6 milijuna cilindričnih stupova, od kojih je svaki otprilike veličine virusa ljudske imunodeficijencije (HIV).
Svaki stup ima jedinstvenu geometriju i funkcionira poput optičke antene. Za pravilno oblikovanje cijele optičke valne fronte potrebno je mijenjati dizajn svakog stupa. Uz pomoć algoritama temeljenih na strojnom učenju, interakcije postova sa svjetlom kombiniraju se kako bi se proizvele slike najviše kvalitete i najšire vidno polje za do sada razvijenu metasurface kameru u punoj boji.
Ključna inovacija u stvaranju kamere bila je integrirani dizajn optičke površine i algoritmi za obradu signala koji proizvode sliku. To je poboljšalo performanse kamere u uvjetima prirodnog svjetla, za razliku od prijašnjih metasurface kamera koje su zahtijevale čisto lasersko svjetlo iz laboratorija ili druge idealne uvjete za proizvodnju visokokvalitetnih slika, rekao je Felix Heide, viši autor studije i docent računarstva na Princetonu.
Istraživači su usporedili slike proizvedene njihovim sustavom s rezultatima prethodnih metasurface kamera, kao i slike snimljene konvencionalnom složenom optikom koja koristi niz od šest refrakcijskih leća. Osim malo zamućenja na rubovima kadra, slike nano-veličine kamere bile su usporedive s onima na tradicionalnom postavljanju objektiva, koji je više od 500 000 puta veći po volumenu.
Ostale ultrakompaktne metapovršinske leće patile su od velikih izobličenja slike, malih vidnih polja i ograničene sposobnosti hvatanja cijelog spektra vidljive svjetlosti – koja se naziva RGB slika jer kombinira crvenu, zelenu i plavu za proizvodnju različitih nijansi.
"Bio je izazov dizajnirati i konfigurirati ove male mikrostrukture da rade ono što želite", rekao je Ethan Tseng, dr. sc. student na Princetonu. "Za ovaj specifičan zadatak snimanja RGB slika velikog vidnog polja, to je izazovno jer postoje milijuni tih malih mikrostruktura i nije jasno kako ih dizajnirati na optimalan način."
Jedan od autora, Shane Colburn, uhvatio se u koštac s ovim izazovom kreiranjem računskog simulatora za automatiziranje testiranja različitih konfiguracija nano-antena. Zbog broja antena i složenosti njihove interakcije sa svjetlom, ova vrsta simulacije može koristiti "ogromnu količinu memorije i vremena", rekao je Colburn. Razvio je model za učinkovitu aproksimaciju mogućnosti proizvodnje slike metapovršina s dovoljnom točnošću.
Koautor James Whitehead, dr. sc. student na UW ECE, izradio metapovršine koje se temelje na silicij nitridu, materijalu nalik staklu koji je kompatibilan sa standardnim metodama proizvodnje poluvodiča koji se koriste za računalne čipove – što znači da bi se određeni dizajn metapovršine mogao lako masovno proizvoditi po nižoj cijeni od objektivi u konvencionalnim fotoaparatima.
"Iako pristup optičkom dizajnu nije nov, ovo je prvi sustav koji koristi površinsku optičku tehnologiju na prednjem dijelu i neuralnu obradu u stražnjem dijelu", rekao je Joseph Mait, konzultant u Mait-Optik i bivši stariji istraživač i glavni znanstvenik u istraživačkom laboratoriju američke vojske.
"Značaj objavljenog rada je dovršavanje Herkulovog zadatka zajedničkog dizajna veličine, oblika i položaja milijunskih značajki metapovršine i parametara obrade nakon detekcije kako bi se postigla željena izvedba slike", dodao je Mait. Heide i njegovi kolege sada rade na tome da samoj kameri dodaju više računalnih sposobnosti. Osim optimizacije kvalitete slike, željeli bi dodati mogućnosti za detekciju objekata i druge modalitete osjeta relevantne za medicinu i robotiku.
Heide također predviđa korištenje ultrakompaktnih slikovnih uređaja za stvaranje "površina kao senzora". "Mogli bismo pojedinačne površine pretvoriti u kamere koje imaju ultra-visoku razlučivost, tako da vam više ne bi trebale tri kamere na stražnjoj strani vašeg telefona, već bi cijela stražnja strana vašeg telefona postala jedna divovska kamera. Možemo zamisliti potpuno drugačije načine za izgradnju uređaja u budućnosti", rekao je.
Izvor: Nature Communications