Kamera bersaiz mikro mempunyai potensi besar untuk mengesan masalah dalam tubuh manusia dan membolehkan penderiaan untuk robot sangat kecil, tetapi pendekatan terdahulu menangkap imej kabur, herot dengan medan pandangan terhad.
Kini, penyelidik di Princeton University dan University of Washington telah mengatasi halangan ini dengan kamera ultrakompak sebesar butiran garam kasar. Sistem baharu itu boleh menghasilkan imej warna penuh yang tajam setanding dengan lensa kamera kompaun konvensional 500, 000 kali lebih besar dalam volum, para penyelidik melaporkan dalam kertas yang diterbitkan pada 11 Nov.29 dalam Nature Communications.
Didayakan oleh reka bentuk bersama perkakasan kamera dan pemprosesan pengiraan, sistem ini boleh mendayakan endoskopi invasif minimum dengan robot perubatan untuk mendiagnosis dan merawat penyakit serta menambah baik pengimejan untuk robot lain dengan kekangan saiz dan berat. Tatasusunan beribu-ribu kamera sedemikian boleh digunakan untuk penderiaan pemandangan penuh, mengubah permukaan menjadi kamera.
Walaupun kamera tradisional menggunakan siri kaca melengkung atau kanta plastik untuk membengkokkan sinar cahaya menjadi fokus, sistem optik baharu bergantung pada teknologi yang dipanggil metasurface, yang boleh dihasilkan seperti cip komputer. Hanya setengah milimeter lebar, metasurface disematkan dengan 1.6 juta tiang silinder, setiap satu kira-kira saiz virus kekurangan imun manusia (HIV).
Setiap siaran mempunyai geometri yang unik dan berfungsi seperti antena optik. Mengubah reka bentuk setiap jawatan adalah perlu untuk membentuk keseluruhan muka gelombang optik dengan betul. Dengan bantuan algoritma berasaskan pembelajaran mesin, interaksi siaran dengan cahaya bergabung untuk menghasilkan imej berkualiti tinggi dan medan pandangan terluas untuk kamera metasurface penuh warna yang dibangunkan setakat ini.
Inovasi utama dalam penciptaan kamera ialah reka bentuk bersepadu permukaan optik dan algoritma pemprosesan isyarat yang menghasilkan imej. Ini meningkatkan prestasi kamera dalam keadaan cahaya semula jadi, berbeza dengan kamera metasurface sebelumnya yang memerlukan cahaya laser tulen makmal atau keadaan ideal lain untuk menghasilkan imej berkualiti tinggi, kata Felix Heide, pengarang kanan kajian dan penolong profesor komputer. sains di Princeton.
Para penyelidik membandingkan imej yang dihasilkan dengan sistem mereka dengan hasil kamera metasurface sebelumnya, serta imej yang ditangkap oleh optik kompaun konvensional yang menggunakan satu siri enam kanta biasan. Selain daripada sedikit kabur di tepi bingkai, imej kamera bersaiz nano adalah setanding dengan persediaan lensa tradisional, yang lebih daripada 500, 000 kali lebih besar dalam volum.
Kanta permukaan ultrakompak yang lain telah mengalami herotan imej yang besar, medan pandangan yang kecil dan keupayaan terhad untuk menangkap spektrum penuh cahaya boleh dilihat - dirujuk sebagai pengimejan RGB kerana ia menggabungkan merah, hijau dan biru untuk menghasilkan warna yang berbeza.
"Sudah menjadi satu cabaran untuk mereka bentuk dan mengkonfigurasi struktur mikro kecil ini untuk melakukan apa yang anda mahukan," kata Ethan Tseng, Ph. D sains komputer. pelajar di Princeton yang mengetuai kajian tersebut. "Untuk tugas khusus menangkap imej RGB medan pandangan besar ini, ia mencabar kerana terdapat berjuta-juta struktur mikro kecil ini dan tidak jelas cara mereka bentuknya dengan cara yang optimum."
Pengarang utama bersama Shane Colburn menangani cabaran ini dengan mencipta simulator pengiraan untuk mengautomasikan ujian konfigurasi antena nano yang berbeza. Oleh kerana bilangan antena dan kerumitan interaksinya dengan cahaya, simulasi jenis ini boleh menggunakan "jumlah besar memori dan masa, " kata Colburn. Dia membangunkan model untuk menganggarkan dengan cekap keupayaan pengeluaran imej metasurfaces dengan ketepatan yang mencukupi.
Colburn, yang menjalankan kerja sebagai Ph. D. pelajar di Jabatan Kejuruteraan Elektrik & Komputer Universiti Washington (UW ECE), di mana beliau kini menjadi penolong profesor gabungan. Beliau juga mengarahkan reka bentuk sistem di Tunoptix, sebuah syarikat yang berpangkalan di Seattle yang mengkomersialkan teknologi pengimejan metasurface. Tunoptix diasaskan bersama oleh penasihat siswazah Colburn Arka Majumdar, seorang profesor bersekutu di Universiti Washington di ECE dan jabatan fizik serta pengarang bersama kajian itu.
Penulis bersama James Whitehead, seorang Ph. D. pelajar di UW ECE, mereka bentuk metasurfaces, yang berasaskan silikon nitrida, bahan seperti kaca yang serasi dengan kaedah pembuatan semikonduktor standard yang digunakan untuk cip komputer - bermakna reka bentuk metasurface tertentu boleh dihasilkan secara besar-besaran dengan mudah pada kos yang lebih rendah daripada kanta dalam kamera konvensional.
"Walaupun pendekatan kepada reka bentuk optik bukan baharu, ini adalah sistem pertama yang menggunakan teknologi optik permukaan di bahagian hadapan dan pemprosesan berasaskan saraf di bahagian belakang," kata Joseph Mait, perunding di Mait- Optik dan bekas penyelidik kanan dan ketua saintis di Makmal Penyelidikan Tentera A. S.
"Kepentingan kerja yang diterbitkan ialah menyelesaikan tugas Herculean untuk mereka bentuk bersama saiz, bentuk dan lokasi jutaan ciri metasurface dan parameter pemprosesan pasca pengesanan untuk mencapai prestasi pengimejan yang diingini," tambah Mait, yang tidak terlibat dalam kajian itu.
Heide dan rakan sekerjanya kini berusaha untuk menambahkan lebih banyak kebolehan pengiraan pada kamera itu sendiri. Selain mengoptimumkan kualiti imej, mereka ingin menambah keupayaan untuk pengesanan objek dan modaliti penderiaan lain yang berkaitan untuk perubatan dan robotik.
Heide juga membayangkan menggunakan pengimej ultrakompak untuk mencipta "permukaan sebagai penderia." "Kami boleh menukar permukaan individu menjadi kamera yang mempunyai resolusi ultra tinggi, jadi anda tidak memerlukan tiga kamera di belakang telefon anda lagi, tetapi keseluruhan bahagian belakang telefon anda akan menjadi satu kamera gergasi. Kami boleh memikirkan cara yang sama sekali berbeza untuk membina peranti pada masa hadapan," katanya.
Selain Tseng, Colburn, Whitehead, Majumdar dan Heide, pengarang kajian itu termasuk Luocheng Huang, Ph. D. pelajar di Universiti Washington; dan Seung-Hwan Baek, rakan penyelidikan pasca doktoral di Princeton.
Kerja ini disokong sebahagiannya oleh Yayasan Sains Kebangsaan, Jabatan Pertahanan A. S., UW Reality Lab, Facebook, Google, Futurewei Technologies dan Amazon.
