Инновация: камера размером с крупинку соли

Исследователям из Принстонского университета и Вашингтонского университета удалось создать настолько маленькую камеру, что ее размер можно сравнить с крупинкой соли. Тем не менее она способна делать снимки такого же качества, как и камера в сотни тысяч раз больше.

Эта миниатюрная камера может быть очень полезна в медицине, для менее инвазивных медицинских обследований или для наделения микророботов лучшими органами чувств. Крошечная машина, способная делать качественные фотографии… Задача кажется довольно классической, но до сих пор не решена до конца. Она действительно создает серьезные проблемы для ученых, которые затрагивают фундаментальные законы оптики.

В «традиционных» камерах оптические элементы, такие как линзы, собирают свет от объекта съемки и корректируют его преломление до получения когерентного изображения. Это уже накладывает определенный объем, хотя бы для того, чтобы вместить эти линзы. Второе ограничение — фокусное расстояние. Фокусное расстояние — это расстояние между оптической линзой и матрицей камеры. Оно может быть более или менее большим, но его нельзя уменьшать до бесконечности, иначе вы получите изображение с большим количеством хроматических аберраций.

Чтобы обойти эти ограничения по размеру, команда ученых использовала так называемые «метаповерхности». Метаповерхности, согласно этому пояснительному файлу от CNRS, представляют собой «оптические элементы, состоящие из наноэлементов (…), которые позволяют избежать длинного распространения путем введения вдоль оптического пути резких изменений фазы, амплитуды и/или поляризации на шкале толщины порядка длины волны». Другими словами, способ «игры» с длиной волны света не одинаков, а значит, позволяет ученым в некоторой степени отменить ограничения, о которых говорилось выше.

С практической точки зрения, устройство состоит из миллионов маленьких оптических «антенн», каждая из которых имеет уникальную конфигурацию. Все эти антенны будут принимать и обрабатывать различные длины волн таким образом, чтобы в итоге передать когерентное изображение, подобно тому, как это делает камера.

Однако простого использования метаповерхностей для создания миниатюрной камеры было недостаточно. Это не первая попытка такого рода. В настоящее время этот метод сопряжен со многими оптическими трудностями, а изображения, полученные в результате предыдущих попыток в этой области, содержали множество искажений и хроматических аберраций, что делало их непригодными для использования.

Предыдущие камеры (слева) снимали размытые и искаженные изображения с ограниченным полем зрения. Новая нейронная нанооптическая система (справа) может создавать четкие полноцветные изображения, сравнимые с изображениями, получаемыми с помощью обычного составного объектива камеры.

Чтобы улучшить изображение, ученые из Принстона работали над процессами производства изображения, предшествующими и последующими. Передача данных — сложная задача индивидуальной настройки каждого из миллионов оптических антенн. Действительно, из-за их количества, а также сложности их взаимодействия со светом задача огромна. Поэтому один из исследователей, Шейн Колберн, разработал компьютерную модель, способную автоматизировать настройку антенн с достаточной точностью для их правильной оптимизации.

После получения этого изображения ученые использовали алгоритм реконструкции. Эта нейронная нанооптическая сеть, способная распознавать дефекты изображения и корректировать их на основе «изученных» данных, таким образом, позволила достичь желаемого качества. «Мы демонстрируем качество изображения, сравнимое с качеством изображения большого шестиэлементного бизнес-объектива, даже несмотря на то, что объем нашей разработки в 550 000 раз меньше«, — говорится в их отчете.

Кроме того, используемый материал, нитрид кремния, похож на стекло, что совместимо со стандартными методами производства полупроводников, используемых для компьютерных чипов. Другими словами, возможно крупномасштабное производство по более низкой цене, чем обычные объективы для камер, говорят ученые. Они все еще работают над усовершенствованием своего открытия, чтобы, например, можно было обнаруживать объекты или воспринимать определенные элементы. Эти дополнительные возможности могут оказаться полезными в области медицины и робототехники. Тем временем, они уже представляют, что их изобретение может изменить способ проектирования объектов. Что если бы любая поверхность могла стать камерой?