Исследователи уменьшают камеру до размеров зернышка соли



Исследователи из Принстонского университета и Вашингтонского университета разработали ультракомпактную камеру размером с крупное зернышко соли. Система основана на технологии, называемой метаповерхностью, которая усеяна 1,6 миллионами цилиндрических столбов и может быть изготовлена во многом как компьютерный чип.  Принстонский университет


Камеры микроразмерного размера обладают большим потенциалом для выявления проблем в организме человека и позволяют проводить зондирование для сверхмалых роботов, но прошлые подходы снимали нечеткие, искаженные изображения с ограниченными полями зрения.


Теперь исследователи из Принстонского университета и Вашингтонского университета преодолели эти препятствия с помощью ультракомпактной камеры размером с крупное зернышко соли. Новая система может создавать четкие полноцветные изображения наравне с обычным составным объективом камеры в 500 000 раз большего объема, сообщили исследователи в статье, опубликованной 29 ноября в журнале Nature Communications.

Благодаря совместному проектированию аппаратного обеспечения камеры и вычислительной обработки, система может обеспечить минимально инвазивную эндоскопию с медицинскими роботами для диагностики и лечения заболеваний, а также улучшить визуализацию для других роботов с ограничениями по размеру и весу. Массивы из тысяч таких камер можно было бы использовать для полноэкранного зондирования, превращая поверхности в камеры.


В то время как традиционная камера использует серию изогнутых стеклянных или пластиковых линз для фокусировки лучей света, новая оптическая система основана на технологии, называемой метаповерхностью, которая может быть изготовлена во многом подобно компьютерному чипу. Метаповерхность шириной всего в полмиллиметра усеяна 1,6 миллионами цилиндрических столбов, каждый размером примерно с вирус иммунодефицита человека (ВИЧ).


Каждый столб имеет уникальную геометрию и функционирует как оптическая антенна. Изменение конструкции каждого поста необходимо для правильной формы всего оптического волнового фронта. С помощью алгоритмов, основанных на машинном обучении, взаимодействие постов со светом в сочетании обеспечивает получение изображений высочайшего качества и самое широкое поле зрения для полноцветной камеры с метаповерхностью, разработанной на сегодняшний день.


Ключевым нововведением в создании камеры стала интегрированная конструкция оптической поверхности и алгоритмы обработки сигналов, которые создают изображение. Это повысило производительность камеры в условиях естественного освещения, в отличие от предыдущих камер с метаповерхностью, которым для получения высококачественных изображений требовался чистый лазерный свет лаборатории или другие идеальные условия, сказал Феликс Хайде, старший автор исследования и доцент кафедры компьютерных наук в Принстоне.


Исследователи сравнили изображения, полученные с помощью их системы, с результатами предыдущих камер с метаповерхностью, а также с изображениями, полученными с помощью обычной составной оптики, в которой используется серия из шести преломляющих линз. Помимо небольшого размытия по краям кадра, изображения наноразмерной камеры были сопоставимы с изображениями традиционной установки объектива, которая более чем в 500 000 раз больше по объему.


Другие сверхкомпактные объективы с метаповерхностью страдают от серьезных искажений изображения, небольших полей зрения и ограниченной способности улавливать полный спектр видимого света—называемый RGB-отображением, потому что он сочетает красный, зеленый и синий цвета для получения различных оттенков.


"Было непросто спроектировать и настроить эти маленькие микроструктуры так, чтобы они делали то, что вы хотите",-сказал Итан Цзэн, аспирант по информатике в Принстоне, который был одним из руководителей исследования. "Для этой конкретной задачи захвата изображений RGB с большим полем зрения это сложная задача, потому что существуют миллионы этих маленьких микроструктур, и неясно, как их оптимально спроектировать".



Предыдущие камеры микроразмерного размера (слева) снимали нечеткие, искаженные изображения с ограниченными полями зрения. Новая система, называемая нейронной нанооптикой (справа), может создавать четкие полноцветные изображения наравне с обычным составным объективом камеры.  Принстонский университет


Соавтор Шейн Колберн решил эту проблему, создав вычислительный симулятор для автоматизации тестирования различных конфигураций наноантенн. Из-за количества антенн и сложности их взаимодействия со светом этот тип моделирования может использовать "огромные объемы памяти и времени", сказал Колберн. Он разработал модель, позволяющую эффективно аппроксимировать возможности получения изображений метаповерхностей с достаточной точностью.


Колберн, который проводил эту работу в качестве аспиранта на факультете электротехники и вычислительной техники Вашингтонского университета (UW ECE), где он в настоящее время является ассоциированным доцентом. Он также руководит проектированием систем в Tunoptix, компании из Сиэтла, которая занимается коммерциализацией технологий обработки изображений метаповерхностей. Соучредителем Tunoptix был аспирант Колберна Арка Маджумдар, адъюнкт-профессор Вашингтонского университета на факультете математики и физики и соавтор исследования.


Соавтор Джеймс Уайтхед, аспирант UW ECE, изготовил метаповерхности, которые основаны на нитриде кремния, стеклообразном материале, совместимом со стандартными методами производства полупроводников, используемыми для компьютерных чипов, что означает, что данная конструкция метаповерхности может быть легко изготовлена массово по более низкой цене, чем объективы в обычных камерах.


"Хотя подход к оптическому дизайну не нов, это первая система, которая использует поверхностную оптическую технологию на передней панели и нейронную обработку на задней панели",-сказал Джозеф Мейт, консультант Mait-Optik и бывший старший научный сотрудник и главный научный сотрудник Исследовательской лаборатории армии США.


"Важность опубликованной работы заключается в выполнении титанической задачи по совместному проектированию размера, формы и расположения миллионов объектов метаповерхности и параметров обработки после обнаружения для достижения желаемой производительности изображения",-добавил Майт, который не участвовал в исследовании.


Хайде и его коллеги сейчас работают над тем, чтобы добавить больше вычислительных возможностей к самой камере. Помимо оптимизации качества изображения, они хотели бы добавить возможности для обнаружения объектов и других методов зондирования, имеющих отношение к медицине и робототехнике.


Хайде также предполагает использовать ультракомпактные тепловизоры для создания "поверхностей в качестве датчиков". 

"Мы могли бы превратить отдельные поверхности в камеры со сверхвысоким разрешением, так что вам больше не понадобятся три камеры на задней панели вашего телефона, но вся задняя панель вашего телефона станет одной гигантской камерой. Мы можем придумать совершенно другие способы создания устройств в будущем", - сказал он.

Обсудить:

0 comments:

Всегда рады услышать ваше мнение!