Las cámaras de tamaño micro tienen un gran potencial para detectar problemas en el cuerpo humano y permitir la detección de robots súper pequeños, Los intentos de diseño anteriores capturaban imágenes borrosas y distorsionadas con campos de visión limitados.
Ahora, investigadores de la Universidad de Princeton y la Universidad de Washington han superado estos obstáculos con una cámara ultracompacta del tamaño de un grano de sal. El nuevo sistema puede producir imágenes nítidas a todo color a la par que una lente de cámara compuesta convencional 500.000 veces más grande en volumen, informaron los investigadores en un artículo publicado el 29 de noviembre en Nature Communications .
Habilitado por un diseño conjunto del hardware de la cámara y el procesamiento computacional, el sistema podría permitir una endoscopia mínimamente invasiva con robots médicos para diagnosticar y tratar enfermedades, y mejorar las imágenes para otros robots con limitaciones de tamaño y peso. Se podrían usar conjuntos de miles de tales cámaras para la detección de escena completa, convirtiendo las superficies en cámaras.
Mientras que una cámara tradicional usa una serie de lentes curvas de vidrio o plástico para enfocar los rayos de luz , el nuevo sistema óptico se basa en una tecnología llamada metasuperficie, que se puede producir de manera muy similar a un chip de computadora. La metasuperficie, de apenas medio milímetro de ancho, está salpicada de 1,6 millones de postes cilíndricos, cada uno del tamaño aproximado del virus de la inmunodeficiencia humana (VIH).
Cada poste tiene una geometría única y funciona como una antena óptica. Es necesario variar el diseño de cada poste para dar forma correcta a todo el frente de onda óptico. Con la ayuda de algoritmos basados en el aprendizaje automático, las interacciones de las publicaciones con la luz se combinan para producir imágenes de la más alta calidad y el campo de visión más amplio para una cámara de metasuperficie a todo color desarrollada hasta la fecha.
Una innovación clave en la creación de la cámara fue el diseño integrado de la superficie óptica y los algoritmos de procesamiento de señales que producen la imagen. Esto mejoró el rendimiento de la cámara en condiciones de luz natural, en contraste con las cámaras de metasuperficie anteriores que requerían la luz láser pura de un laboratorio u otras condiciones ideales para producir imágenes de alta calidad, dijo Felix Heide, autor principal del estudio y profesor asistente de informática. ciencia en Princeton.
Los investigadores compararon las imágenes producidas con su sistema con los resultados de cámaras de metasuperficie anteriores, así como las imágenes capturadas por una óptica compuesta convencional que utiliza una serie de seis lentes refractivos. Aparte de un poco de desenfoque en los bordes del encuadre, las imágenes de la cámara de tamaño nanométrico eran comparables a las de la configuración de lente tradicional, que es más de 500 000 veces mayor en volumen.
“Ha sido un desafío diseñar y configurar estas pequeñas microestructuras para hacer lo que quieres”, dijo Ethan Tseng, un Ph.D. en ciencias de la computación. estudiante de Princeton que codirigió el estudio. “Para esta tarea específica de capturar imágenes RGB de gran campo de visión, es un desafío porque hay millones de estas pequeñas microestructuras y no está claro cómo diseñarlas de manera óptima”.
Un nuevo sistema llamado nano-óptica neuronal (derecha) puede producir imágenes nítidas a todo color a la par que una lente de cámara compuesta convencional.
Crédito: Universidad de Princeton
Los investigadores ahora están trabajando para agregar más capacidades computacionales a la propia cámara. Más allá de optimizar la calidad de la imagen, les gustaría agregar capacidades para la detección de objetos y otras modalidades de detección relevantes para la medicina y la robótica.
Heide también prevé el uso de generadores de imágenes ultracompactos para crear “superficies como sensores”. “Podríamos convertir superficies individuales en cámaras con una resolución ultra alta, por lo que ya no necesitarías tres cámaras en la parte posterior de tu teléfono, sino que toda la parte posterior de tu teléfono se convertiría en una cámara gigante. Podemos pensar en algo completamente diferente maneras de construir dispositivos en el futuro”, concluyo.
