Bir tuz tanesi ile hemen hemen aynı boyutlarda geliştirilmiş mikroskobik kamera, kendisinden 500.000 kat daha büyük lenslerle eşdeğerde net ve renkli görüntüler yakalayabiliyor.
Ultra kompakt optik cihaz, Princeton Üniversitesi ve Washington Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi tarafından geliştirildi.
Yeni kamera, süper küçük robotların çevrelerini algılamasına ve hatta doktorların insan vücudundaki sorunları görmesine yardımcı olabilir.
Bilgisayar bilimcisi Ethan Tseng ve meslektaşları tarafından geliştirilen küçük kamera, ışığın davranışını modüle edebilen, her biri tek bir HIV virüsünün boyutunda olan 1,6 milyon silindirik direkle süslenmiş özel bir meta yüzeye dayanıyor. 0,5 milimetre genişliğindeki yüzeydeki direklerin her biri, anten gibi çalışmasına izin veriyor. Makine öğrenimi algoritmaları daha sonra her gönderinin ışıkla etkileşimini yorumlayarak bir görüntü oluşturuyor.
Minik cihazın çektiği fotoğraflar, bugüne kadar geliştirilmiş herhangi bir tam renkli metasurface kamera için en geniş görüş alanına sahip, en yüksek kaliteli görüntüleri sunuyor. Kamera aynı zamanda, doğal ışıkta da iyi çalışabiliyor.
New Jersey’deki Princeton Üniversitesi’nden Tseng, “Bu küçük mikro yapıları istediğinizi yapacak şekilde tasarlamak ve yapılandırmak zor oldu” dedi.
Ekip şimdi hem görüntü kalitesini daha da artırmak hem de pratik uygulamalar için faydalı olabilecek nesne algılama gibi şeyleri dahil etmek için kameraya hesaplama yetenekleri eklemeye çalışıyor.
Haberin türkçe kaynağına bu linkten ulaşabilirsiniz.
Araştırmacılar kamerayı tuz tanesi boyutuna küçültüyor
Princeton Üniversitesi ve Washington Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, kaba bir tuz tanesi büyüklüğünde ultra kompakt bir kamera geliştirdiler. Sistem, 1,6 milyon silindirik direk ile çivilenmiş ve bir bilgisayar çipi gibi üretilebilen metasurface adı verilen bir teknolojiye dayanıyor. Görüntüler araştırmacıların izniyle kullanılmıştır.
Mikro boyutlu kameralar, insan vücudundaki sorunları tespit etme ve süper küçük robotlar için algılamayı sağlama konusunda büyük bir potansiyele sahiptir, ancak geçmiş yaklaşımlar, sınırlı görüş alanlarına sahip bulanık, çarpık görüntüler yakalamıştır.
Şimdi, Princeton Üniversitesi ve Washington Üniversitesi’ndeki araştırmacılar bu engellerin üstesinden büyük miktarda tuz içeren ultra kompakt bir kamerayla geliyorlar. Araştırmacılar Nature Communications’da 29 Kasım’da yayınlanan bir gazetede, yeni sistemin geleneksel bileşik kamera merceğine göre 500,000 kat daha büyük hacimde net, tam renkli görüntüler üretebileceği bildirildi.
Kamera donanımının ve hesaplamalı işlemenin ortak tasarımıyla etkinleştirilen sistem, hastalıkları teşhis etmek ve tedavi etmek için tıbbi robotlarla minimal invaziv endoskopiye olanak sağlayabilir ve boyut ve ağırlık kısıtlamaları olan diğer robotlar için görüntülemeyi iyileştirebilir. Bu tür binlerce kamera dizisi, tam sahne algılaması için kullanılabilir ve yüzeyleri kameralara dönüştürebilir.
Geleneksel bir kamera, ışık ışınlarını odaklamak için bir dizi kavisli cam veya plastik lens kullanırken, yeni optik sistem metasurface adı verilen ve bir bilgisayar çipi gibi üretilebilen bir teknolojiye dayanıyor. Sadece yarım milimetre genişliğindeki metayüzey, her biri kabaca insan immün yetmezlik virüsünün (HIV) boyutunda olan 1,6 milyon silindirik direk ile süslenmiştir.
Her gönderi benzersiz bir geometriye sahiptir ve optik bir anten gibi işlev görür. Tüm optik dalga cephesini doğru şekilde şekillendirmek için her bir direğin tasarımını değiştirmek gereklidir. Makine öğrenimi tabanlı algoritmaların yardımıyla, direklerin ışıkla etkileşimleri, bugüne kadar geliştirilmiş tam renkli bir metasurface kamera için en yüksek kaliteli görüntüleri ve en geniş görüş alanını üretmek üzere birleşiyor.
Kameranın oluşturulmasında önemli bir yenilik, optik yüzeyin entegre tasarımı ve görüntüyü oluşturan sinyal işleme algoritmalarıydı. Çalışmanın baş yazarı ve Princeton’daki bilgisayar bilimi yardımcı öğretim üyesi Felix Heide, bu durumun, bir laboratuvarın saf lazer ışığına veya yüksek kaliteli görüntüler üretmek için diğer ideal koşullara ihtiyaç duyulan önceki metasurface kameralarının aksine, kameranın doğal ışık koşullarında performansını artırdığını söyledi.
Araştırmacılar, sistemleriyle üretilen görüntüleri önceki metasurface kameraların sonuçlarıyla ve ayrıca bir dizi altı refraktif lens kullanan geleneksel bir bileşik optik tarafından yakalanan görüntülerle karşılaştırdılar. Çerçevenin kenarlarındaki biraz bulanıklığın yanı sıra, nano boyutlu kameranın görüntüleri, hacim olarak 500.000 kat daha büyük olan geleneksel lens kurulumununkilerle karşılaştırılabilirdi.
Diğer ultra kompakt metasurface lensler, büyük görüntü bozulmalarından, küçük görüş alanlarından ve görünür ışığın tam spektrumunu yakalama konusunda sınırlı yetenekten muzdaripti – farklı tonlar üretmek için kırmızı, yeşil ve maviyi birleştirdiği için RGB görüntüleme olarak anılır.
Bilgisayar bilimi alanında doktora yapan Ethan Tseng, “Bu küçük nano yapıları istediğinizi yapacak şekilde tasarlamak ve yapılandırmak zor oldu” dedi . Çalışmayı birlikte yöneten Princeton’daki bir öğrenci. “Geniş görüş alanı RGB görüntülerini yakalamaya yönelik bu özel görev için, daha önce milyonlarca nano yapının, işlem sonrası algoritmalarla birlikte nasıl birlikte tasarlanacağı belirsizdi.”
Yardımcı yazar Shane Colburn, farklı nano-anten konfigürasyonlarının test edilmesini otomatikleştirmek için bir hesaplama simülatörü oluşturarak bu zorluğun üstesinden geldi. Colburn, antenlerin sayısı ve ışıkla etkileşimlerinin karmaşıklığı nedeniyle, bu tür simülasyonun “büyük miktarda bellek ve zaman” kullanabileceğini söyledi. Meta yüzeylerin görüntü üretim yeteneklerini yeterli doğrulukla verimli bir şekilde tahmin etmek için bir model geliştirdi.
Colburn, çalışmayı doktora olarak yürütmüştür. Washington Üniversitesi Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü’nde (UW ECE) öğrenci ve şu anda yardımcı doçent olarak görev yapmaktadır. Ayrıca metasurface görüntüleme teknolojilerini ticarileştiren Seattle merkezli bir şirket olan Tunoptix’te sistem tasarımını yönetiyor. Tunoptix, Washington Üniversitesi’nde ECE ve fizik bölümlerinde doçent ve çalışmanın ortak yazarı olan Colburn’ün lisansüstü danışmanı Arka Majumdar tarafından kuruldu.
Ortak yazar James Whitehead, bir Ph.D. UW ECE’de bir öğrenci, bilgisayar çipleri için kullanılan standart yarı iletken üretim yöntemleriyle uyumlu, cam benzeri bir malzeme olan silikon nitrür bazlı meta yüzeyleri imal etti – bu, belirli bir meta yüzey tasarımının daha düşük maliyetle kolayca seri üretilebileceği anlamına geliyor. geleneksel kameralardaki lensler.
Mait-Optik’te danışman ve eski bir kıdemli olan Joseph Mait, “Optik tasarıma yaklaşım yeni olmasa da, bu, ön uçta bir yüzey optik teknolojisi ve arkada nöral tabanlı işleme kullanan ilk sistemdir” dedi . ABD Ordusu Araştırma Laboratuvarı’nda araştırmacı ve baş bilim adamı.
“Yayınlanan çalışmanın önemi, meta yüzeyin milyonlarca özelliğinin boyutunu, şeklini ve konumunu ve istenen görüntüleme performansını elde etmek için tespit sonrası işlemenin parametrelerini ortaklaşa tasarlamak için Herkül görevini tamamlamaktır” diye ekledi. çalışmada.
Heide ve meslektaşları şimdi kameranın kendisine daha fazla hesaplama yeteneği eklemek için çalışıyorlar. Görüntü kalitesini optimize etmenin ötesinde, nesne algılama ve tıp ve robotik ile ilgili diğer algılama yöntemleri için yetenekler eklemek istiyorlar.
Heide ayrıca “sensörler olarak yüzeyler” oluşturmak için ultra kompakt görüntüleyiciler kullanmayı öngörüyor. “Tek tek yüzeyleri ultra yüksek çözünürlüğe sahip kameralara dönüştürebiliriz, böylece telefonunuzun arkasında üç kameraya artık ihtiyacınız olmaz, ancak telefonunuzun arkasının tamamı dev bir kamera haline gelir. Gelecekte cihazlar inşa etmenin tamamen farklı yollarını düşünebiliriz” dedi.
Tseng, Colburn, Whitehead, Majumdar ve Heide’nin yanı sıra, çalışmanın yazarları arasında bir Ph.D. olan Luocheng Huang da var. Washington Üniversitesi’nde öğrenci; ve Princeton’da doktora sonrası araştırma görevlisi olan Seung-Hwan Baek.
Çalışma kısmen Ulusal Bilim Vakfı, ABD Savunma Bakanlığı, UW Reality Lab, Facebook, Google, Futurewei Technologies ve Amazon tarafından desteklendi.
Haberin yurtdışı orjinal kaynağını bu linkten uluyabilirsiniz.