Идея использовать камеры микроразмеров для выявления проблем в человеческом теле появилась давно. Однако раньше подобные технологии давали нечеткие, искаженные изображения с ограниченным углом обзора.
Исследователи из Принстонского и Вашингтонского университетов смогли устранить эту проблему благодаря сверхкомпактной камере размером с крупицу соли. Новая камера может создавать четкие, полноцветные изображения, сравнимые со снимками, сделанными на зеркальные фотоаппараты в 500 000 раз большего размера.
Устройство сочетает в себе конструктивные особенности обычной фотокамеры и компьютерные вычисления. Это позволяет выполнять эндоскопию с минимальной инвазивностью для диагностики и лечения заболеваний. Также эта камера позволит улучшить визуализацию для других роботов с ограничениями по размеру и весу. Массив из тысячи таких камер может быть использован для зондирования, за счёт превращения поверхностей 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 метаповерхности. 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. Разная форма необходима для того, чтобы добиться правильной формы всего оптического волнового фронта. Благодаря машинному обучению, все взаимодействия столбиков со светом объединяется для создания изображения высочайшего качества и самого широкого угла обзора.
Метаповерхности создаются из нитрида кремния, стеклоподобного материала по аналогии с изготовлением полупроводников, используемых для компьютерных микросхем. Поэтому нет никаких трудностей с массовым производством микро-камер, причём затраты будут меньше, чем для линз обычных фотоаппаратов.
Ключевым нововведением при создании камеры стала интегрированная конструкция оптической поверхности и алгоритмы обработки сигналов, которые создают изображение. Это повысило качество изображения с камеры в условиях естественного освещения. В то время как предыдущие метаповерхностные камеры нуждались в чистом лазерном свете лаборатории или других идеальных условиях для получения высококачественных изображений.
Исследователи сравнили изображения, полученные с помощью их системы, с результатами предыдущих метаповерхностных камер, а также с изображениями, полученными при помощи обычной оптики, где используется система из шести преломляющих линз. За исключением небольшого размытия по краям кадра, изображения наноразмерной камеры были сравнимы с изображениями традиционной линзы.
Другие сверхкомпактные метаповерхностные линзы серьёзно искажают изображение, имеют малый угол обзора и ограниченную способность захватывать полный спектр видимого света.
Одной из основных проблем при создании камеры было совместить миллионы наноструктур и применить алгоритмы постобработки. Решением стало создание вычислительного симулятора для автоматизации тестирования различных конфигураций наноантенн.
Несмотря на то, что сам подход не нов, данная камера стала первой системой, где в лицевой части используются оптические технологии, а сзади – обработка нейросетью.
Сейчас исследователи работают над расширением вычислительных возможностей камеры. Помимо оптимизации качества изображения, они хотели бы добавить возможность обнаружения объектов и расширить методы зондирования, актуальные для медицины и робототехники.
