طور الباحثون كاميرا فائقة الصغر بحجم حبة ملح
تطور جامعات برينستون وواشنطن كاميرا نانو
حبة ملح أم كاميرا؟ باحثون من جامعات برنستون وواشنطن يطورون نظامًا فائق الصغر الة تصوير يمكنها إنتاج صور نقية كاملة الألوان على قدم المساواة مع عدسة الكاميرا المركبة التقليدية التي تزيد حجمها عن 500000 مرة. يعتمد النظام على تقنية تسمى “السطح الخارق” ، مرصعة بـ 1.6 مليون عمود أسطواني. يمكن إنتاج الجهاز مثل شريحة الكمبيوتر!
يمكننا تحويل الأسطح الفردية إلى كاميرات ذات دقة عالية جدًا ، لذلك لن تحتاج إلى ثلاث كاميرات على ظهر هاتفك بعد الآن ، ولكن الجزء الخلفي من هاتفك سيصبح كاميرا عملاقة واحدة. يمكننا التفكير في طرق مختلفة تمامًا لبناء الأجهزة في المستقبل ، ” يقول فيليكس هايد ، كبير مؤلفي الدراسة وأستاذ مساعد في علوم الكمبيوتر في جامعة برنستون.
(أعلاه) تعتمد الكاميرا فائقة الصغر على تقنية تسمى metasurface ، وهي مرصعة بـ 1.6 مليون عمود أسطواني ويمكن إنتاجها مثل شريحة الكمبيوتر.
(لافتة) فيديو مصدره مختبر برينستون للتصوير الحسابي
الصورة بإذن من الباحثين / المصدر: جامعة برينستون
يمكن إنتاج النظام بكميات كبيرة بتكلفة أقل من الكاميرا التقليدية
يتمتع النظام الصغير الحجم دائمًا بإمكانية كبيرة لاكتشاف الحالات الشاذة في جسم الإنسان بالإضافة إلى تمكين الاستشعار للروبوتات فائقة الصغر ، لكن نهج pas يلتقط صورًا مشوشة ومشوهة مع مجالات رؤية محدودة. أخيرًا ، المؤلفون في جامعة برينستون و ال جامعة واشنطن تغلبت على هذه العقبات. بينما تستخدم الكاميرا التقليدية سلسلة من الزجاج المنحني أو العدسات البلاستيكية لثني أشعة الضوء في التركيز ، يعتمد النظام البصري على تقنية تسمى السطح الخارق. هذا ، مصنوع من مادة شبيهة بالزجاج متوافقة مع طرق التصنيع القياسية مما يعني أن التصميم يمكن إنتاجه بكميات كبيرة بسهولة بتكاليف أقل من العدسات التقليدية.
مقارنات جنبًا إلى جنب بين الكاميرا التقليدية (اليسرى) والكاميرا النانوية (على اليمين)
مقتطف من الفيديو / المصدر: معمل التصوير الحسابي بجامعة برينستون
بعرض نصف ملليمتر فقط ، تعمل كل وظيفة من 1.6 مليون وظيفة للجهاز بحجم النانو مثل الهوائي البصري. يعد تغيير تصميم كل منشور ضروريًا لتشكيل واجهة الموجة البصرية بالكامل بشكل صحيح. بمساعدة الخوارزميات القائمة على التعلم الآلي ، يتحد تفاعل كل منشور مع الضوء لإنتاج صور عالية الجودة وأوسع مجال للرؤية.
نظرًا لعدد الهوائيات وتعقيد تفاعلاتها مع الضوء ، يمكن لهذا النوع من المحاكاة استخدام كميات هائلة من الذاكرة والوقت ، “ يشرح المؤلف الرئيسي المشارك ، شين كولبورن.
التقطت الكاميرات السابقة صغيرة الحجم (على اليسار) صورًا مشوشة ومشوهة ذات مجالات رؤية محدودة. يمكن لنظام جديد يسمى البصريات النانوية العصبية (يمين) إنتاج صور واضحة وملونة على قدم المساواة مع عدسة الكاميرا المركبة التقليدية.
الصورة بإذن من الباحثين / المصدر: جامعة برينستون
على الرغم من أن أسلوب التصميم البصري ليس جديدًا ، إلا أن هذا هو أول نظام يستخدم تقنية بصرية سطحية في الواجهة الأمامية والمعالجة العصبية في الخلف. تكمن أهمية العمل المنشور في إكمال المهمة الشاقة للتصميم المشترك لحجم وشكل وموقع ميزات metasurface مليون ومعلمات معالجة ما بعد الكشف لتحقيق أداء التصوير المطلوب ، يقول جوزيف مايت ، مستشار في Mait-Optik وباحث كبير سابق وكبير العلماء في مختبر أبحاث الجيش الأمريكي.
مقارنة بين البصريات النانوية المحايدة (يسار) والحقيقة الأرضية مع البصريات المركبة (يمين)
مصدر الصورة: اتصالات الطبيعة
يمكن للكاميرا تمكين التنظير لتشخيص الأمراض
فيليكس هايد ، كبير مؤلفي الدراسة ، يتصور أيضًا استخدام أجهزة تصوير فائقة الصغر لإنشاء أسطح كمستشعرات. بفضل تصميم مشترك على الأجهزة والمعالجة الحسابية ، يمكن للنظام تمكين التنظير الداخلي طفيف التوغل باستخدام الروبوتات الطبية لتشخيص الأمراض وعلاجها ، وتحسين التصوير للروبوتات الأخرى مع قيود الحجم والوزن.
“لقد كان تصميم هذه الهياكل النانوية الصغيرة وتهيئتها لتحقيق ما تريده تحديًا” يقول إيثان تسينج ، دكتوراه في علوم الكمبيوتر. طالب في برينستون شارك في قيادة الدراسة. بالنسبة لهذه المهمة المحددة المتمثلة في التقاط صور RGB ذات مجال رؤية كبير ، لم يكن من الواضح سابقًا كيفية المشاركة في تصميم ملايين الهياكل النانوية جنبًا إلى جنب مع خوارزميات ما بعد المعالجة.
صور حديثة حالية (اثنان على اليسار) مقارنة بالكاميرا النانوية (الثانية من اليمين) والحقيقة الأرضية باستخدام البصريات المركبة (يمين)
مصدر الصورة: اتصالات الطبيعة
معلومات المشروع:
ابحاث: جامعة برينستونو جامعة واشنطن
المؤلفون: فيليكس هايدو إيثان يسنغو أركا ماجمدارو شين كولبورنو جوزيف مايت، luocheng huang، جيمس وايتهيد
مدعوم من: المؤسسة الوطنية للعلوم ، وزارة الدفاع الأمريكية ، مختبر UW للواقع ، facebook ، google ، تقنيات futurewei ، الأمازون
عام: 2021
