Исследователи уменьшили камеру до размера крупинки соли

Микрокамеры обладают большим потенциалом для выявления проблем в теле человека. Прошлые подходы позволяли получить лишь нечеткие, искаженные изображения с ограниченным углом обзора. Исследователи из Принстонского и Вашингтонского университетов преодолели эти препятствия с помощью сверхкомпактной камеры размером с крупицу соли. Подобные нанооптические устройства откроют новые возможности в робототехнике и медицине.

Устройство одновременно совмещает в себе как систему настоящей фотокамеры, так и функцию вычислительной обработки. Благодаря подобному миксу оно способно обеспечить минимальную инвазивную эндоскопию для диагностики и лечения заболеваний. Вдобавок аппарат может показать необходимую картинку другим проникшим в организм роботам, чей размер, вес или функции не позволяют что-то отчетливо рассмотреть.

Несмотря на то, что камеры уже давно проникают и исследуют организм, снимки существующей оптики показывали плохое качество изображения. В то же время их громоздкие альтернативы ограничены размером и низким значением f-числа. Это число можно увидеть, как и в современных «зеркалках», так и в камере телефона, открыв режим pro. F-число определяет, как много света может пройти через объектив и попасть на матрицу. Другими словами, от его возможностей зависит яркость изображения.

В новом исследовании разработчики успешно ликвидировали пробел в производительности, обеспечивая самую большую продемонстрированную диафрагму 0,5 мм при значении f, равном 2.

В то время как в традиционной камере используется серия изогнутых стеклянных или пластиковых линз, новая оптическая система основана на технологии, которая называется метаповерхностью. Ее производят так же, как компьютерный чип. Метаповерхность шириной всего полмиллиметра усеяна 1,6 млн цилиндрических столбиков, каждый размером примерно с бактерию вируса иммунодефицита человека (ВИЧ).

Эта самая метаповерхность изготавливается на основе нитрида кремния, стеклоподобного материала, который совместим со стандартными методами производства полупроводников для компьютерных микросхем. Это означает, что конструкцию метаповерхности можно легко производить в массовом порядке. А расходы на изготовление будут куда меньше, чем на объективы обычных фотоаппаратов.

Новая система может создавать четкие, полноцветные изображения наравне с объективами обычных фотоаппаратов, чьи объективы в 500 тыс. раз больше по объему.

Каждый цилиндрический столбик на метаповерхности имеет уникальную геометрию и функционирует как самостоятельная оптическая антенна. С помощью алгоритмов, основанных на машинном обучении, камера добивается создания изображений высочайшего качества и широчайшего угла обзора. Это мощнейшая разработка в данной сфере на сегодняшний день.

Ключевым нововведением стали алгоритмы обработки сигналов, которые создают изображение, а также усовершенствованная конструкция оптической поверхности. По словам Феликса Хайде, старшего автора исследования и доцента кафедры компьютеров, это повысило производительность камеры в условиях естественного освещения. В этом она отличается от всех предыдущих метаповерхностных камер, которым требовался чистый лазерный свет лаборатории или другие идеальные условия для получения высококачественных изображений.

Исследователи работают над расширением вычислительных возможностей камеры. Помимо оптимизации качества изображения, они хотели бы добавить возможности для обнаружения объектов и других методов зондирования, актуальных для медицины и робототехники.

Ученые предполагают, что с помощью таких крошечных устройств смогут помочь смартфонам избавиться от трех камер на задней панели и улучшить качество изображения. Однако это также означает, что вся крышка превратится в одну гигантскую камеру так, что вам больше не понадобится красивый чехол. Все это мы сможем увидеть уже в недалеком будущем.