Ученые придумали сверхкомпактную камеру, которая может создавать четкие, полноцветные изображения
Микро-камеры обладают большим потенциалом для выявления проблем в человеческом теле и позволяют обнаруживать сверхмалые объекты, но прошлые подходы позволяли получать нечеткие, искаженные изображения с ограниченным полем обзора. Теперь ученые преодолели эти препятствия с помощью сверхкомпактной камеры размером с крупицу соли. Новая система может создавать четкие, полноцветные изображения наравне с объективами в 500 000 раз большего объема, сообщили исследователи из Принстона в статье, опубликованной в Nature Communications.
Благодаря совместной конструкции аппаратного обеспечения камеры и вычислительной обработки, система может обеспечить минимально инвазивную эндоскопию с медицинскими роботами для диагностики и лечения заболеваний, а также улучшить визуализацию для других роботов с ограничениями по размеру и весу. Массивы из тысяч таких камер можно использовать для полного зондирования, 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 столбик имеет уникальную геометрию и функционирует как оптическая антенна.
Для правильной формы всего оптического волнового массива необходимо варьировать форму каждого столбика. 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, 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 составной 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 500000 раз больше по объему.
Другие сверхкомпактные метаповерхностные линзы страдали от значительных искажений изображения, небольших полей зрения и ограниченной способности захватывать полный спектр видимого света — так называемого изображения RGB, потому что он сочетает красный, зеленый и синий для получения разных оттенков.
Сейчас исследователи работают над расширением вычислительных возможностей самой камеры. Помимо оптимизации качества изображения, они хотели бы добавить возможности для обнаружения объектов и других методов зондирования, актуальных для медицины и робототехники.
Они также предполагают использование сверхкомпактных тепловизоров 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 способы создания устройств в будущем», — говорят ученые.
Исследование было опубликовано в Nature Communications.