دوربینی به اندازه دانه نمک!

دوربین هایی که در اندازه میکرو ساخته شده اند، این قابلیت را دارند که مشکلات را در بدن انسان شناسایی کنند و به ربات های فوق العاده کوچک امکان بدهند تا توانایی حس کردن داشته باشند، اما روش های پیشین، تصاویر مبهمی با میدان دید محدود ثبت کرده اند.

به گزارش ایسنا و به نقل از فیز، محققان" دانشگاه پرینستون"( Princeton University) و" دانشگاه واشنگتن"( University of Washington) در پروژه مشترکی، با ابداع یک دوربین فوق العاده پیچیده به اندازه یک دانه درشت نمک، بر این چالش غلبه کرده اند. آنها در پژوهش خود نشان داده اند که این سیستم جدید میتواند تصاویری واضح و تمام رنگی را تولید کند.

این سیستم با طراحی پردازش محاسباتی و سخت افزار دوربین میتواند آندوسکوپی غیرتهاجمی با ربات های پزشکی را برای تشخیص و درمان بیماریها امکان پذیر سازد و تصویربرداری را برای سایر ربات هایی که محدودیت اندازه و وزن دارند، بهبود ببخشد. مجموعه های متشکل از هزاران دوربین مشابه این نمونه میتوانند برای سنجش تمام صحنه استفاده شوند و سطوح را به دوربین تبدیل کنند.

در حالی که یک دوربین سنتی، مجموعه ای از لنز های خمیده شیشه ای یا پلاستیکی را برای خم کردن پرتو های نور در فوکوس بکار می برد، این سیستم نوری جدید به فناوری موسوم به" فراسطح"( Metasurface) متکی است که میتوان آنرا شبیه به یک تراشه رایانه ای تولید کرد. عرض فراسطح، تنها نیم میلی متر است و ۱/۶ میلیون ساختار استوانه ای به شکل میله دارد که هر کدام تقریباً به اندازه ویروس" HIV" هستند.

هر میله، دارای یک هندسه منحصر به فرد است و مانند یک آنتن نوری عمل می کند. تغيير طراحی هر میله برای شکل دادن درست کل جبهه موج نوری، ضروری است. با کمک الگوریتم های مبتنی بر یادگیری ماشینی، تعامل میله ها با نور ممکن می شود تا تصاویری را با بالاترین کیفیت و وسیع ترین میدان دید برای یک دوربین تمام رنگی فراسطحی تولید کند.

یک نوآوری کلیدی در ایجاد دوربین، طراحی یکپارچه الگوریتم های پردازش سیگنال و سطح نور بود که تصویر را تولید می کنند." فلیکس هاید"( Felix Heide)، استادیار علوم رایانه ای دانشگاه پرینستون و پژوهشگر ارشد این پروژه بیان کرد:این کار، دوربین را در شرایط نور طبیعی تقویت کرد؛ برخلاف دوربین‌های فراسطحی پیشین که به پرتو لیزر آزمایشگاه یا سایر شرایط ایده آل برای تولید تصاویر با کیفیت بالا نیاز داشتند.

محققان، تصاویر تولیدشده با سیستم خود را با نتایج به دست آمده از دوربین های فراسطحی پیشین مقایسه کردند. تصاویر ثبت شده با نانودوربین ها به جز کمی تاری در لبه های قاب، قابل مقایسه با تصاویر لنز های سنتی بودند که حجم آنها بیش از ۵۰۰ هزار برابر است.

سایر لنز های فوق العاده فشرده فراسطحی، مشکلاتی از جمله اعوجاج های عمده تصویر، میدان دید کوچک و توانایی محدود در گرفتن طیف کامل نور مرئی را شامل می شوند.

" ایتن تسنگ"( Ethan Tseng)، دانشجوی مقطع دکتری علوم رایانه ای دانشگاه پرینستون و از سرپرست های این پروژه بیان کرد:طراحی و پیکربندی این ریزساختار های کوچک برای انجام آن چه که میخواهید ، یک چالش است. این کار برای این وظیفه ویژه یعنی ثبت تصاویر با میدان دید بزرگ، چالش برانگیز است، زیرا میلیون ها ریزساختار کوچک وجود دارد و مشخص نیست که چگونه میتوان آنها را با روش بهتری طراحی کرد.

" شین کولبرن"( Shane Colburn)، از محققان این پروژه، با ابداع یک شبیه ساز محاسباتی برای آزمایش خودکار پیکربندی های گوناگون نانو آنتن، با این چالش مقابله کرد. به گفته کولبرن، این نوع شبیه سازی به دلیل تعداد آنتن ها و پیچیدگی تعامل آن ها با نور میتواند از حافظه و زمان قابل توجهی استفاده کند. او مدلی را برای بررسی کارآمد قابلیت های تولید تصویر فراسطحی با دقت کافی ایجاد کرد.

" جیمز وایتهد"( James Whitehead)، دانشجوی مقطع دکتری دانشگاه واشنگتن و از محققان این پروژه، سطوح فراسطحی را ساخت که مبتنی بر نیترید سیلیسیم بودند. نیترید سیلیسیم، ماده ای شیشه مانند است که با روش های استاندارد نیمه رسانا که برای تولید تراشه های رایانه ای استفاده می شود، سازگاری دارد. این بدان معناست که یک طرح فراسطحی معین را میتوان به سادگی و با هزینه ای کمتر از هزینه تولید لنز دوربین های معمولی، به صورت انبوه تولید کرد.

هاید و همکارانش اکنون در تلاش هستند تا قابلیت های محاسباتی بیشتری را به دوربین اضافه کنند. آنها مایل هستند تا فراتر از بهینه سازی کیفیت تصویر، قابلیت تشخیص دادن اشیاء و روش های سنجش مربوط به پزشکی و علوم رباتیک را به این فناوری اضافه کنند.

همچنين هاید، استفاده از دوربین های فوق فشرده را برای ابداع سطوح بعنوان حسگر در نظر گرفته است. وی افزود:ما می توانیم سطوح را به دوربین هایی تبدیل کنیم که وضوح فوق العاده بالایی دارند. با کمک این فناوری، دیگر به سه دوربین در پشت تلفن همراه خود نیاز نخواهید داشت، بلکه همه قسمت پشت تلفن همراه شما به یک دوربین بزرگ تبدیل می شود. ما می توانیم به روش های کاملاً متفاوتی برای ساخت این دستگاه ها در آینده فکر کنیم.

این پژوهش، در مجله" Nature Communications" به چاپ رسید.