fbpx
Назад
02 декабря, 2021

Учёные уменьшили камеру до размера крупинки соли

Камеры микроскопического размера обладают огромным потенциалом - их использование возможно при диагностике и выявлении проблем со здоровьем или, например, в робототехнике - при установке на аппараты, существенно ограниченные в размерах. Устройства предыдущих поколений могли получать сильно искаженные или довольно размытые изображения с небольшими углами обзора.

Ученым двух американских университетов - Принстонского и Вашингтонского - удалось добиться совершенно потрясающих результатов съемки посредством их собственной разработки - сверхкомпактной камеры размером менее крупицы соли. Данная оптическая система способна производить полноцветные изображения высочайшего качества, сравнимого с работой полноразмерных объективов.

Исследователи из Принстонского и Вашингтонского университетов разработали сверхкомпактную камеру размером с крупицу соли. Система основана на технологии, называемой метаповерхностью, которая усеяна 1,6 миллионами цилиндрических стоек и может быть изготовлена так же, как компьютерный чип.
Исследователи из Принстонского и Вашингтонского университетов разработали сверхкомпактную камеру размером с крупицу соли. Система основана на технологии, называемой метаповерхностью, которая усеяна 1,6 миллионами цилиндрических стоек и может быть изготовлена так же, как компьютерный чип. Изображение: Принстонский университет.

Благодаря уникальному аппаратного обеспечению камеры и глубокой интеграции алгоритмов машинного обучения, система способна обеспечить инвазивную эндоскопию при помощи медицинских роботов самых малых размеров.

Какова же схема работы данного устройства? В традиционных камерах для фокусировки светового излучения используется серия изогнутых линз (стеклянных или пластиковых). В инновационной же оптической системе используется технология, именуемая метаповерхностью. Структуры метаповерхности, основаны на нитриде кремния - материале, широко используемом в производстве полупроводников, что позволит легко производить данную систему в больших масштабах на имеющихся производствах. При этом производство будет обходиться дешевле, чем изготовление обычных линз для фотоаппаратов.

Метаповерхность шириной всего несколько десятых миллиметра усеяна полутора миллионами цилиндрических столбиков, каждый из которых в толщине не более вируса иммунодефицита человека и имеет уникальную геометрию, позволяющую функционировать как оптическая антенна. Для правильного восприяти оптического волнового фронта необходимо изменять дизайн каждого столбика. В целом, проблема захвата изображения с большим углом обзора очень сложна, а с учетом наличия миллионов маленьких микроструктур - кажется совершенно невозможной. Соавтор проекта - Шейн Колберн решил эту проблему, разработав модель для автоматизации поиска и тестирования различных конфигураций наноантенн. Из-за огромного количества антенн и невероятной сложности их взаимодействия со светом этот тип моделирования может использовать огромное количество памяти и времени. Колберну удалось разработать эффективную модель для рассчета параметров метаповерхностей с достаточно высокой точностью.

Предыдущие микроскопические камеры (слева) снимали нечеткие, искаженные изображения с ограниченным полем обзора. Новая система, называемая нейронной нанооптикой (справа), может создавать четкие, полноцветные изображения наравне с обычным составным объективом камеры. Ⓒ Принстонский университет.
Предыдущие микроскопические камеры (слева) снимали нечеткие, искаженные изображения с ограниченным полем обзора. Новая система, называемая нейронной нанооптикой (справа), может создавать четкие, полноцветные изображения наравне с обычным составным объективом камеры. Изображение: Принстонский университет.

Одним из ключевых открытий при разработке камеры стала интегрированная конструкция оптической поверхности и алгоритмы обработки для создания изображений, что помогло увеличить производительность камеры в условиях естественного освещения. Предыдущие камеры с метаповерхностями нуждались в стерильном лазерном свете лабораторных установок.

Разработчики провели сравнение изображений, полученных их новейшей системой, с результатами других метаповерхностных камер и изображениями, полученными стандартной составной оптикой, в которой использована серия из нескольких линз. За исключением небольшого размытия по краям кадра - изображения наноразмерной камеры были сравнимы с изображениями традиционной линзы, которая более чем в полмиллиона раз превышает ее по объему.

Следующий шаг в развитии данной технологии ученые видят в расширение вычислительных возможностей самой камеры. Помимо оптимизации качества изображения, авторы планируют добавить возможность детекции объектов, актуальных для ряда отраслей, прежде всего - медицины.

Как отметил один из соавторов проекта: "При помощи данной оптической системы возможно превратить отдельные поверхности в камеры сверхвысокого разрешения. Так что нам больше не понадобится размещать несколько камеры на задней панели телефона - она вся может стать гигантской камерой."