Kamera sitna poput zrna soli snima oštro poput 500.000 puta većeg objektiva

Samo pola milimetra široka, metapovršina je prošarana s 1,6 milijuna cilindričnih stupova, od kojih je svaki sitan poput virusa HIV-a

Kamere mikro veličine imaju veliki potencijal za uočavanje problema u ljudskom tijelu i opremanje super-malih robota, ali sve dosad oni su snimale nejasne, izobličene slike s ograničenim vidnim poljima. No, sada su istraživači sa Sveučilišta Princeton i Sveučilišta Washington prevladali te prepreke ultrakompaktnom kamerom veličine zrna soli. 

Oštre slike u punoj boji

Novi sustav može proizvesti oštre slike u punoj boji na razini konvencionalne složene leće kamere 500.000 puta većeg volumena, izvijestili su istraživači u radu objavljenom u Nature Communications.

Prethodne kamere mikro veličine snimale su nejasne, izobličene slike s ograničenim vidnim poljima (lijevo). Novi sustav, nazvan neuronska nano-optika, (desno) može proizvesti oštre slike u punoj boji na razini konvencionalne složene leće kamere. (Sveučilište Princeton)
Prethodne kamere mikro veličine snimale su nejasne, izobličene slike s ograničenim vidnim poljima (lijevo). Novi sustav, nazvan neuronska nano-optika, (desno) može proizvesti oštre slike u punoj boji na razini konvencionalne složene leće kamere. (Sveučilište Princeton)

Ovakva kamerica mogla bi omogućiti minimalno invazivnu endoskopiju s medicinskim robotima za dijagnosticiranje i liječenje bolesti te poboljšati slike koje bi snimali drugi roboti ograničenih veličina i težina. Nizovi tisuća takvih kamera mogli bi se koristiti za otkrivanje cijelog prizora, pretvarajući površine u kamere.


Dok tradicionalna kamera koristi niz zakrivljenih staklenih ili plastičnih leća za savijanje svjetlosnih zraka u fokus, novi optički sustav oslanja se na “tehnologiju metapovršina” (metasurface technology) i može se proizvesti slično kao računalni čip. Samo pola milimetra široka, metapovršina je prošarana s 1,6 milijuna cilindričnih stupova, od kojih je svaki otprilike veličine virusa ljudske imunodeficijencije (HIV).

U usporedbi s postojećim tehnologijama, neuronska nano-optika proizvodi visokokvalitetne rekonstrukcije širokog vidnog polja Prikazani su primjeri s mrtvom prirodom i zelenim gušterom
U usporedbi s postojećim tehnologijama, neuronska nano-optika proizvodi visokokvalitetne rekonstrukcije širokog vidnog polja Prikazani su primjeri s mrtvom prirodom i zelenim gušterom

Svaki stup ima jedinstvenu geometriju i funkcionira poput optičke antene. Za pravilno oblikovanje cijele optičke valne fronte potrebno je mijenjati dizajn svakog stupa. Uz pomoć algoritama temeljenih na strojnom učenju, interakcije sa svjetlom kombiniraju se kako bi se proizvele slike najviše kvalitete i najšire vidno polje za metasurface kameru u punoj boji.

Poboljšane performanse

“Ključna inovacija u stvaranju kamere bila je integrirani dizajn optičke površine i algoritama za obradu signala koji proizvode sliku. To je poboljšalo performanse kamere u uvjetima prirodnog svjetla, za razliku od prethodnih kamera koje su zahtijevale čisto lasersko svjetlo iz laboratorija ili druge idealne uvjete za proizvodnju visokokvalitetnih slika”, objašnjava Felix Heide, viši autor studije i docent računarstva znanosti na Princetonu.

Usporedbi s postojećim tehnologijama na primjeru plavog cvijeta
Usporedbi s postojećim tehnologijama na primjeru plavog cvijeta

Istraživači su usporedili slike proizvedene njihovim sustavom s rezultatima prethodnih kamera, kao i slike snimljene konvencionalnom složenom optikom koja koristi niz šest refrakcijskih leća. Osim malo zamućenja na rubovima kadra, slike kamere nano veličine bile su usporedive s onima uslikanima objektivima više od 500.000 puta većeg volumena.


Ostale ultrakompaktne metapovršinske leće patile su od velikih izobličenja slike, malih vidnih polja i ograničene sposobnosti hvatanja cijelog spektra vidljive svjetlosti – koja se naziva RGB slika jer kombinira crvenu, zelenu i plavu za proizvodnju različitih nijansi.

Felix Heide, Shane Colburn i James Whitehead
Felix Heide, Shane Colburn i James Whitehead

Koautor Shane Colburn kreirao je računski simulator za automatiziranje testiranja različitih konfiguracija nano-antena. Zbog broja antena i složenosti njihove interakcije sa svjetlom, ova vrsta simulacije može koristiti “ogromnu količinu memorije i vremena”, rekao je Colburn. Colburn je razvio i model za učinkovitu aproksimaciju mogućnosti proizvodnje slike metapovršina s dovoljnom točnošću.

James Whitehead sa Sveučilišta Washington izradio je pak metapovršine koje se temelje na silicij nitridu, materijalu nalik staklu. Taj je materijal kompatibilan standardnim metodama proizvodnje poluvodiča koji se koriste za računalne čipove. To znači da bi se dizajn metapovršine mogao lako masovno proizvoditi po nižoj cijeni od objektiva u konvencionalnim fotoaparatima.

Dizajn neuronskog nano-optičkog sustava
Dizajn neuronskog nano-optičkog sustava

Senzorske površine

Istraživači sad kameri žele dodati više računalnih sposobnosti. Osim optimizacije kvalitete slike, željeli bi joj dodati mogućnosti za detekciju objekata i druge modalitete osjeta relevantne za medicinu i robotiku.

Heide također predviđa korištenje ultrakompaktnih slikovnih uređaja za stvaranje “senzorskih površina”. 

“Mogli bismo pojedinačne površine pretvoriti u kamere koje imaju ultra-visoku razlučivost, tako da vam više ne bi trebale tri kamere na stražnjoj strani vašeg telefona, već bi cijela stražnja strana postala jedna divovska kamera”, najavljuje Heide.