Камеру уменьшили до размера крупинки соли

Исследователи из Принстонского и Вашингтонского университетов создали сверхкомпактную камеру размером с крупицу соли, которая создает четкие, полноцветные изображения, сравнимые со снимками обычных фотоаппаратов со сменной оптикой в 500 тыс. раз большего объема.

Как сообщается в статье исследователей в Nature Communications, микро-камеры обладают большим потенциалом для выявления проблем в человеческом теле и позволяют обнаруживать сверхмалых роботов, но прошлые опыты их создания позволяли получать нечеткие, искаженные изображения с ограниченным полем обзора.

Благодаря совместной конструкции аппаратного обеспечения камеры и вычислительной обработки, система может обеспечить минимально инвазивную эндоскопию с медицинскими роботами для диагностики и лечения заболеваний, улучшить визуализацию для других роботов с ограничениями по размеру и весу. Массивы из тысяч таких камер можно использовать для полного зондирования сцены, превращая поверхности в камеры.

В то время как в традиционной камере используется серия изогнутых стеклянных или пластиковых линз для фокусировки световых лучей, новая оптическая система основана на технологии, называемой метаповерхностью, которую можно производить так же, как компьютерный чип. Метаповерхность шириной всего полмиллиметра усеяна 1,6 миллионами цилиндрических столбиков, каждый размером примерно с вирус иммунодефицита человека (ВИЧ).

Каждый столб имеет уникальную геометрию и функционирует как оптическая антенна. Для правильной формы всего оптического волнового фронта необходимо варьировать дизайн каждой стойки. С помощью алгоритмов, основанных на машинном обучении, взаимодействие столбиков со светом объединяется для создания изображений высочайшего качества и самого широкого поля зрения для полноцветной метаповерхностной камеры, разработанной на сегодняшний день.

Ключевым нововведением при создании камеры стала интегрированная конструкция оптической поверхности и алгоритмы обработки сигналов, которые создают изображение. По словам Феликса Хайде, старшего автора исследования и доцента кафедры компьютерных наук, это повысило производительность камеры в условиях естественного освещения, в отличие от предыдущих метаповерхностных камер, которым требовался чистый лазерный свет лаборатории или другие идеальные условия для получения высококачественных изображений.

Исследователи сравнили изображения, полученные с помощью их системы, с результатами предыдущих метаповерхностных камер, а также изображениями, полученными с помощью обычной сменной оптики, в которой используется серия из шести преломляющих линз. За исключением небольшого размытия по краям кадра, изображения наноразмерной камеры были сравнимы с изображениями традиционной линзы, которая более чем в 500 тыс. раз большей по объему.

Другие сверхкомпактные метаповерхностные линзы имели значительные искажения изображения, небольшое поле зрения и ограниченную способность захватывать полный спектр видимого света (так называемого изображения RGB, сочетающего красный, зеленый и синий для получения различных оттенков).

Спроектировать и сконфигурировать такие микроструктуры, чтобы они делали, что требовалось, было вызовом для ученых, рассказал один из руководителей исследования, доктор компьютерных наук из Принстона Итан Ценг. Захват изображений RGB с большим полем обзора – сложная вещь для миллионов этих маленьких микроструктур, и было неясно, как их спроектировать оптимальным образом.

Со-ведущий автор Шейн Колберн, аффилированный доцент факультета электротехники и вычислительной техники Вашингтонского университета (UW ECE), решил эту проблему, создав вычислительный симулятор для автоматизации тестирования различных конфигураций наноантенн. По словам Колберна, из-за большого количества антенн и сложности их взаимодействия со светом этот тип моделирования может использовать «огромное количество памяти и времени». Он разработал модель для эффективной аппроксимации возможностей создания изображений метаповерхностей с достаточной точностью.

Шейн Колберн также руководит проектированием систем в Tunoptix, компании из Сиэтла, занимающейся коммерциализацией технологий визуализации метаповерхностей. Соучредителем Tunoptix – соавтор исследования, научный руководитель Колберна, адъюнкт-профессор Вашингтонского университета на факультетах общеобразовательной медицины и физики Арка Маджумдар.

Соавтор исследования, доктор UW ECE Джеймс Уайтхед изготовил метаповерхности, которые основаны на нитриде кремния, стеклоподобном материале, который совместим со стандартными методами производства полупроводников, компьютерных микросхем. Таким образом, конструкция метаповерхности может быть легко произведена в массовом масштабе с меньшими затратами, чем линзы в обычных фотоаппаратах.

Хотя подход к оптическому дизайну не нов, это первая система, которая использует поверхностную оптическую технологию во входной части и нейронную обработку в задней части, отметил консультант Mait-Optik, бывший главный научный сотрудник исследовательской лаборатории армии США Джозеф Мейт, не участвовавший в этом процессе. По его словам, важность этой работы – в выполнении титанической задачи проектирования одновременно размера, формы и местоположения миллиона функций метаповерхности и параметров обработки.

Доцент Хайде с коллегами сейчас работают над расширением вычислительных возможностей самой камеры. Помимо оптимизации качества изображения, они хотели бы добавить опции обнаружения объектов и другие методы зондирования, актуальные для медицины и робототехники.

Феликс Хайде также предполагает использование сверхкомпактных формирователей изображений для создания «поверхностей в качестве датчиков». «Мы могли бы превратить отдельные поверхности в камеры со сверхвысоким разрешением, так что вам больше не понадобятся три камеры на задней панели телефона, но вся задняя часть вашего телефона станет одной гигантской камерой. Мы можем думать о совершенно другом способе создания устройств в будущем», сказал он.
Дата публикации: 2021-11-30
Источник: Phys.org
Рай для тех, кто любит фотографию и все что с ней связанно – именно так можно охарактеризовать портал с говорящим названием MegaFotka. Новости фотоиндустрии, обзоры техники и полные подробные характеристики большинства моделей фотоаппаратов, фотовспышек, объективов, штативов и даже фоторамок. Все это поможет быстро и легко сориентироваться в огромном разнообразии, предлагаемом производителями, и выбрать именно то, что действительно подойдет. Благодаря большому количеству материалов MegaFotka будет полезна как новичкам, только начинающим свой путь в искусстве фотографии, так и профессиональным мастерам.
  • © 2009-2022 MegaFotka.NET