Dodano: 01 grudzień 2021r.

Aparat wielkości ziarenka soli, który może generować wyraźne, pełnokolorowe obrazy

Naukowcy z Princeton University i University of Washington opracowali ultrakompaktowy aparat wielkości ziarenka soli. Urządzenie może generować wyraźne, pełnokolorowe obrazy nie różniące się specjalnie jakością od tych wykonanych konwencjonalnym aparatem z obiektywem 500 tys. razy większym.

Aparat wielkości ziarenka soli, który może generować wyraźne, pełnokolorowe obrazy

 

Tradycyjny aparat wykorzystuje serię zakrzywionych szklanych lub plastikowych soczewek do skupiania promieni świetlnych w celu uzyskania ostrości, ale nowy system opiera się na innej technologii zwanej metapowierzchnią. Ta struktura o wymiarach 0,5 na 0,5 milimetra jest usiana 1,6 miliona cylindrycznych słupków. Każdy z nich ma precyzyjną konstrukcję, unikalną geometrię i działa jak antena optyczna.

Gdy światło pada na taką strukturę, dociera do zintegrowanej powierzchni optycznej, a następnie jest przetwarzane przez specjalne algorytmy. Cała konfiguracja jest znana jako Neural Nano-Optics i jest znaczącym krokiem naprzód w porównaniu z poprzednimi miniaturowymi aparatami.

Opis aparatu ukazał się na łamach pisma „Nature Communications” (DOI: 10.1038/s41467-021-26443-0).

Miniaturowy aparat o wielkich możliwościach

Kluczową innowacją w tym aparacie jest zintegrowana konstrukcja powierzchni optycznej i algorytmy przetwarzania sygnału, które tworzą obraz. To poprawiło wydajność urządzenia w warunkach naturalnego oświetlenia, w przeciwieństwie do poprzednich aparatów metapowierzchniowych, które wymagały czystego światła laserowego lub innych idealnych warunków, aby uzyskać wysokiej jakości obrazy.

Naukowcy porównali obrazy wytworzone za pomocą ich systemu z wynikami uzyskanymi przez poprzednie aparaty metapowierzchniowe, a także z obrazami zarejestrowanymi przez konwencjonalne aparaty fotograficzne. Poza odrobiną rozmycia na krawędziach kadru, obrazy z nowo opracowanego urządzenia były porównywalne ze zdjęciami wykonanymi przez tradycyjne aparaty o obiektywie ponad 500 tys. razy większym.

aparat wielkości ziarenka soli

Fot. Princeton University

Inne ultrakompaktowe obiektywy metapowierzchniowe mają problemy z poważnymi zniekształceniami obrazu i małymi polami widzenia. Mają też ograniczoną zdolności do uchwycenia pełnego spektrum światła widzialnego odpowiadającego właściwościom odbiorczym ludzkiego oka – określanego jako obrazowanie RGB.

- Zaprojektowanie i skonfigurowanie tych małych mikrostruktur, aby robiły to, co chcieliśmy uzyskać, było wyzwaniem – powiedział współautor publikacji Ethan Tseng z Princeton University. - W przypadku tego konkretnego zadania, jakim jest przechwytywanie obrazów RGB o dużym polu widzenia, wcześniej nie było jasne, jak współprojektować miliony nanostruktur wraz z algorytmami przetwarzania końcowego – dodał.

Standardowe metody produkcji i niska cena

Zastosowana w urządzeniu metapowierzchnia została wyprodukowana na bazie azotku krzemu, materiale podobnym do szkła, który jest kompatybilny ze standardowymi metodami produkcji półprzewodników stosowanych w chipach komputerowych. To oznacza, że ten projekt aparatu metapowierzchniowego może być masowo produkowany przy niższych kosztach niż obiektywy w konwencjonalnych aparatach.

Gdyby umieścić tysiące takich aparatów na dowolnej powierzchni, to cała ta powierzchnia zamieni się w aparat fotograficzny. - Możemy zamienić poszczególne powierzchnie w kamery o ultrawysokiej rozdzielczości, dzięki czemu nie będą już potrzebne trzy kamery z tyłu telefonu, ale cały tył telefonu stanie się jednym, dużym aparatem – powiedział Felix Heide z Princeton University.

Zespół pracuje teraz nad rozszerzeniem możliwości obliczeniowych urządzenia. Naukowcy chcą nie tylko nadal ulepszać jakość obrazu, ale także badają, jak dodać możliwości wykrywania obiektów i inne funkcje, które mogą sprawić, że będzie to rewolucyjne narzędzie w medycynie i robotyce.

Tego typu miniaturowy aparat może umożliwić minimalnie inwazyjną endoskopię. Może być stosowany do diagnozowania i leczenia chorób. Może też znaleźć zastosowanie jako system wizyjny dla robotów, gdzie liczą się ograniczone rozmiary i mała waga. Zadowolone z niego będę z pewnością także służby wywiadowcze wielu krajów.

 

Źródło i fot.: Princeton University