Trotz der Größe eines Salzkorns kann eine neue Mikroskopkamera gestochen scharfe Vollfarbbilder aufnehmen, die mit normalen Objektiven vergleichbar sind, die 500.000 Mal größer sind.
Das ultrakompakte optische Gerät wurde von einem Forscherteam der Princeton University und der University of Washington entwickelt.
Es überwindet Probleme mit früheren Mikrokameradesigns, die dazu neigten, nur verzerrte und unscharfe Bilder mit sehr begrenzten Sichtfeldern aufzunehmen.
Die neue Kamera könnte es superkleinen Robotern ermöglichen, ihre Umgebung zu erfassen oder sogar Ärzten helfen, Probleme im menschlichen Körper zu erkennen.
Trotz der Größe eines Salzkorns kann ein neues mikroskopisches Kameradesign gestochen scharfe Vollfarbbilder aufnehmen, die mit 500.000-mal größeren Objektiven vergleichbar sind. Im Bild: die winzige Kamera
In einer herkömmlichen Kamera in voller Größe dient eine Reihe von gebogenen Glas- oder Kunststofflinsen dazu, einfallende Lichtstrahlen in einem Filmstück oder einem digitalen Sensor zu fokussieren.
Im Gegensatz dazu basiert die winzige Kamera, die der Informatiker Ethan Tseng und seine Kollegen entwickelt haben, auf einer speziellen „Metaoberfläche“, die mit 1,6 Millionen zylindrischen Stiften besetzt ist – jeder von der Größe eines einzelnen HIV-Virus –, die das Verhalten von Licht modulieren können.
Jeder der Pfosten auf der 0,5 Millimeter breiten Fläche hat eine einzigartige Form, die es ihm ermöglicht, im Wesentlichen wie eine Antenne zu funktionieren, die eine optische Wellenfront formen kann.
Der Schlüssel zum Erfolg der Kamera lag laut den Forschern im integrierten Design der optischen Metaoberfläche und den auf maschinellem Lernen basierenden Signalverarbeitungsalgorithmen, die die Interaktion der Pfosten mit Licht in ein Bild interpretieren.
Die Fotos, die das winzige Gerät aufnimmt, bieten die hochwertigsten Bilder mit dem größten Sichtfeld für alle bisher entwickelten Vollfarb-Metasurface-Kameras.
Frühere Designs neigten dazu, von großen Bildverzerrungen, eingeschränkten Sichtfeldern und Problemen bei der Erfassung des gesamten Spektrums des sichtbaren Lichts heimgesucht zu werden.
Experten bezeichnen letzteres als „RGB“-Bildgebung, da es auf der Mischung der Primärfarben Rot, Grün und Blau beruht, um andere Farben zu erzeugen (ähnlich den roten, gelben und blauen Farbrädern, die man in der Primärfarbe lernt). Schule.)
Tatsächlich, so das Team, sind die Bilder, die sie aufnehmen können – abgesehen von einer kleinen Unschärfe an den Rändern des Rahmens – mit denen vergleichbar, die mit einer normalen Kamera in voller Größe mit einer Reihe von sechs refraktiven Linsen aufgenommen werden können.
Darüber hinaus ist die Kamera in der Lage, bei natürlichem Licht gut zu funktionieren, anstatt bei reinem Laserlicht oder anderen stark idealisierten Bedingungen, die von früheren Metasurface-Kameras erforderlich waren, um Bilder in guter Qualität zu erzeugen.
Es überwindet Probleme mit früheren Mikrokameradesigns, die dazu neigten, nur verzerrte und unscharfe Bilder mit sehr begrenzten Sichtfeldern aufzunehmen. Im Bild: Bilder einer Blume, aufgenommen mit der bisherigen hochmodernen Mikroskopkamera (links) und dem neuen Design (rechts)
“Es war eine Herausforderung, diese kleinen Mikrostrukturen so zu entwerfen und zu konfigurieren, dass sie das tun, was Sie wollen”, sagte Tseng von der Princeton University in New Jersey.
“Für diese spezielle Aufgabe, RGB-Bilder mit großem Sichtfeld zu erfassen, ist dies eine Herausforderung, da es Millionen dieser kleinen Mikrostrukturen gibt.” [on the metasurface], und es ist nicht klar, wie man sie optimal gestaltet.’
Um dies zu überwinden, erstellte der Optikexperte der University of Washington, Shane Colburn, ein digitales Modell, das Metaoberflächen-Designs und deren fotografische Ausgabe simulieren konnte und ein automatisiertes Testen verschiedener Nanoantennenkonfigurationen ermöglichte.
Laut Professor Colburn bedeutete die bloße Anzahl der Antennen auf jeder Oberfläche und die Komplexität ihrer Wechselwirkungen mit Licht, dass jede Simulation „massive Mengen an Speicher und Zeit“ verbrauchte.
Nach Angaben des Teams sind die Bilder, die sie aufnehmen können (links) – abgesehen von einer kleinen Unschärfe an den Rändern des Bildes – mit denen vergleichbar, die mit einer normalen Kamera in voller Größe mit einer Reihe von sechs refraktiven Linsen aufgenommen werden können (rechts)
“Obwohl der Ansatz für das optische Design nicht neu ist, ist dies das erste System, das eine oberflächenoptische Technologie im Frontend und eine neuronale Verarbeitung im Hintergrund verwendet”, sagte Optikingenieur Joseph Mait, der nicht an der Studie beteiligt war.
“Gemeinsam die Größe, Form und Lage der Millionen Merkmale der Metaoberfläche und die Parameter der Nacherkennungsverarbeitung zu entwerfen, um die gewünschte Abbildungsleistung zu erreichen”, fügte Herr Mait hinzu, sei eine “Herkulesaufgabe”.
Nach Abschluss der ersten Studie arbeitet das Team daran, der Kamera Rechenfähigkeiten zu verleihen – sowohl um die Bildqualität weiter zu verbessern, als auch um Dinge wie die Objekterkennung zu integrieren, die für praktische Anwendungen nützlich wären.
ANWENDUNGEN DER KAMERA
Im Bild: Die winzige Kamera basiert auf einer speziellen „Metaoberfläche“, die mit Pfosten übersät ist, die das Lichtverhalten modulieren können
Den Forschern zufolge wäre die Kamera ideal für den Einsatz in kleinen Robotern, bei denen Größen- und Gewichtsbeschränkungen die Implementierung herkömmlicher Kameras erschweren.
Die optische Metaoberfläche könnte auch verwendet werden, um minimal-invasive endoskopische Geräte zu verbessern – so können Ärzte besser in das Innere von Patienten sehen, um Krankheiten zu diagnostizieren und zu behandeln.
Darüber hinaus, so der Autor des Papiers und Informatiker der Princeton University, Felix Heide, könnte das Konzept verwendet werden, um Oberflächen in Sensoren zu verwandeln.
Dies, sagte er, „könnte einzelne Oberflächen in Kameras mit ultrahoher Auflösung verwandeln, sodass Sie nicht mehr drei Kameras auf der Rückseite Ihres Telefons benötigen würden, sondern die gesamte Rückseite Ihres Telefons würde zu einer riesigen Kamera.
“Wir können uns in Zukunft ganz andere Möglichkeiten vorstellen, Geräte zu bauen.”