29 نوامبر 2021 توسط مولی شارلاک، دانشگاه پرینستون
محققان دانشگاه پرینستون و دانشگاه واشنگتن یک دوربین فوق فشرده به اندازه یک دانه درشت نمک ساخته اند. این سیستم به فناوری به نام متاسرفیس متکی است که با 1.6 میلیون پایه استوانه ای ساخته شده است و می تواند بسیار شبیه به یک تراشه کامپیوتری تولید شود.
دوربین‌های کوچک پتانسیل بالایی برای شناسایی مشکلات در بدن انسان و ایجاد امکان حس کردن ربات‌های بسیار کوچک دارند، اما رویکردهای گذشته تصاویر مبهم و مخدوش را با میدان دید محدود ثبت کردند.
اکنون، محققان دانشگاه پرینستون و دانشگاه واشنگتن با یک دوربین فوق فشرده به اندازه یک دانه درشت نمک بر این موانع غلبه کرده اند. محققان در مقاله ای که در 29 نوامبر در Nature Communications منتشر شد، گزارش کردند که سیستم جدید می تواند تصاویر واضح و تمام رنگی را با لنز دوربین مرکب معمولی 500000 برابر بزرگتر تولید کند.
با طراحی مشترک سخت افزار و پردازش محاسباتی دوربین، این سیستم می تواند آندوسکوپی کم تهاجمی با روبات های پزشکی را برای تشخیص و درمان بیماری ها و بهبود تصویربرداری برای سایر ربات ها با محدودیت های اندازه و وزن، فعال کند. مجموعه‌ای از هزاران دوربین از این دست می‌توانند برای سنجش تمام صحنه استفاده شوند و سطوح را به دوربین تبدیل کنند.
در حالی که یک دوربین سنتی از مجموعه ای از لنزهای خمیده شیشه ای یا پلاستیکی برای خم کردن پرتوهای نور در فوکوس استفاده می کند، سیستم نوری جدید به فناوری به نام متاسطح متکی است که می تواند بسیار شبیه به یک تراشه کامپیوتری تولید شود. این متاسطح فقط نیم میلی متر عرض دارد و 1.6 میلیون ستون استوانه ای دارد که هر کدام تقریباً به اندازه ویروس (HIV) است.
هر پست دارای یک هندسه منحصر به فرد است و مانند یک آنتن نوری عمل می کند. تغییر طراحی هر پست برای شکل دادن صحیح کل جبهه موج نوری ضروری است. با کمک الگوریتم‌های مبتنی بر یادگیری ماشینی، تعامل پست‌ها با نور ترکیب می‌شود تا تصاویر با بالاترین کیفیت و وسیع‌ترین میدان دید را برای یک دوربین تمام رنگی فراسطحی که تا به امروز ساخته شده است، تولید کند.
یک نوآوری کلیدی در ایجاد دوربین، طراحی یکپارچه سطح نوری و الگوریتم های پردازش سیگنال بود که تصویر را تولید می کند. فلیکس هاید، نویسنده ارشد این مطالعه و استادیار کامپیوتر گفت: این کارایی دوربین را در شرایط نور طبیعی افزایش داد، برخلاف دوربین‌های متاسطح قبلی که به نور لیزر خالص آزمایشگاه یا سایر شرایط ایده‌آل برای تولید تصاویر با کیفیت بالا نیاز داشتند.
محققان تصاویر تولید شده با سیستم خود را با نتایج دوربین های متاسطح قبلی و همچنین تصاویر گرفته شده توسط یک اپتیک مرکب معمولی که از یک سری از شش لنز انکساری استفاده می کند، مقایسه کردند. جدا از کمی تاری در لبه‌های قاب، تصاویر دوربین‌های اندازه‌ی نانو قابل مقایسه با لنزهای سنتی بودند که حجم آن بیش از 500000 برابر بیشتر است.
سایر لنزهای فوق فشرده فوق‌سطحی از اعوجاج‌های عمده تصویر، میدان دید کوچک و توانایی محدود در گرفتن طیف کامل نور مرئی رنج می‌برند که به آن تصویربرداری RGB می‌گویند زیرا قرمز، سبز و آبی را برای تولید رنگ‌های مختلف ترکیب می‌کند.
Ethan Tseng، دانشجوی پرینستون که در این مطالعه مشارکت داشت ، می‌گوید: «طراحی و پیکربندی این ریزساختارهای کوچک برای انجام آنچه می‌خواهید یک چالش است.. “برای این کار خاص برای گرفتن تصاویر با میدان دید بزرگ RGB، چالش برانگیز است زیرا میلیون ها ریزساختار کوچک وجود دارد و مشخص نیست که چگونه آنها را به روشی بهینه طراحی کنیم.”
دوربین های قبلی با اندازه میکرو تصاویر مبهم و مخدوش با میدان دید محدود می گرفتند. یک سیستم جدید به نام نانو اپتیک عصبی می تواند تصاویر واضح و تمام رنگی را با لنزهای دوربین مرکب معمولی تولید کند.
ه گفته کولبرن، نویسنده همکار، Shane Colburn، با ایجاد یک شبیه‌ساز محاسباتی برای آزمایش خودکار پیکربندی‌های مختلف نانو آنتن، با این چالش مقابله کرد. ببه دلیل تعداد آنتن ها و پیچیدگی تعامل آنها با نور، این نوع شبیه سازی می تواند از “مقدار عظیم حافظه و زمان” استفاده کند. او مدلی را برای تقریب کارآمد قابلیت‌های تولید تصویر فراسطحی با دقت کافی ایجاد کرد.
