Камера размером с крупинку соли, способная генерировать четкие полноцветные изображения

Исследователи из Принстонского университета и Университета Вашингтона разработали ультракомпактную камеру размером с крупинку соли. Устройство может генерировать четкие полноцветные изображения, не сильно отличающиеся по качеству от снимков, сделанных обычной камерой с объективом в 500 000 раз больше.

Обычная камера использует ряд изогнутых стеклянных или пластиковых линз для фокусировки световых лучей для достижения резкости, но новая система использует другую технологию, называемую метаповерхностью. Эта структура размером 0,5 на 0,5 миллиметра усеяна 1,6 миллионами цилиндрических столбиков. Каждый из них имеет точную структуру, уникальную геометрию и действует как оптическая антенна.

Когда свет падает на такую структуру, он достигает интегрированной оптической поверхности и затем обрабатывается специальными алгоритмами. Вся эта система известна как нейронная нанооптика и является значительным шагом вперед по сравнению с предыдущими миниатюрными камерами.

Описание камеры появилось в журнале Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-021-26443-0).

Миниатюрная камера с большими возможностями

Ключевой инновацией в этой камере является интегрированная конструкция оптической поверхности и алгоритмы обработки сигнала, которые формируют изображение. Это позволило улучшить работу устройства в условиях естественного освещения, в отличие от предыдущих метаповерхностных камер, которые требовали чистого лазерного света или других идеальных условий для получения высококачественных изображений.

Исследователи сравнили изображения, полученные с помощью их системы, с результатами, полученными с помощью предыдущих метаповерхностных камер, а также с изображениями, полученными с помощью обычных камер. За исключением небольшого размытия по краям кадра, изображения, полученные с помощью нового устройства, были сравнимы с изображениями, сделанными обычными камерами с объективами, увеличенными более чем в 500 000 раз.

Фотография Принстонского университета

Другие сверхкомпактные метазеркальные объективы имеют проблемы с сильным искажением изображения и малым полем зрения. Они также имеют ограниченную способность захватывать полный спектр видимого света, соответствующий приемным свойствам человеческого глаза — так называемое RGB-изображение.

— Разработка и конфигурация этих небольших микроструктур для выполнения того, чего мы хотели добиться, была непростой задачей, — говорит соавтор публикации Этан Ценг из Принстонского университета. — Для этой конкретной задачи — получения RGB-изображений большого поля — ранее было неясно, как совместно разрабатывать миллионы наноструктур с алгоритмами постобработки, добавил он.

Стандартные методы производства и низкая цена

Метаповерхность, использованная в устройстве, была изготовлена на нитриде кремния — стеклоподобном материале, совместимом со стандартными методами производства полупроводников, используемыми в компьютерных чипах. Это означает, что данная конструкция камеры с метаповерхностью может массово производиться по более низкой цене, чем объективы в обычных камерах.

Если бы вы разместили тысячи таких камер на любой поверхности, вся поверхность превратилась бы в камеру. — Мы можем превратить отдельные поверхности в камеры со сверхвысоким разрешением, так что вам больше не нужны три камеры на задней панели телефона, а вся задняя панель телефона станет одной большой камерой», — говорит Феликс Хайде из Принстонского университета.

Сейчас команда работает над расширением вычислительных возможностей устройства. Исследователи не только хотят продолжать улучшать качество изображения, но и изучают возможность добавления функций обнаружения объектов и других возможностей, которые могут сделать его революционным инструментом в медицине и робототехнике.

Этот тип миниатюрной камеры может позволить проводить минимально инвазивную эндоскопию. Его можно использовать для диагностики и лечения заболеваний. Его также можно использовать в качестве системы технического зрения для роботов, где важны ограниченные размеры и малый вес. Спецслужбы многих стран также будут довольны этим.