¡Nueva cámara del tamaño de un grano de sal!

Las minicámaras actuales se utilizan en muchas áreas: imágenes médicas, teléfonos inteligentes, vigilancia / seguridad, robótica, conducción autónoma, etc. A menor escala, los dispositivos de imágenes nanofotónicas están allanando el camino para nuevas aplicaciones en varios campos que van desde la robótica hasta la medicina. Metasurfaces es una tecnología prometedora para diseñar este tipo de lectores de imágenes, pero con el hardware desarrollado hasta ahora, la calidad de la imagen no es realmente satisfactoria. Los investigadores ahora ofrecen una solución para mejorar la nitidez.

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Calidad igual a la de las lentes convencionales

en un Artículo publicado en Comunicaciones de la naturalezaEl equipo dice que el sistema de cámara ultracompacta puede producir imágenes claras y coloridas con una calidad equivalente a la que se obtendría con un visor convencional de 500.000x. Mientras que un lente tradicional utiliza una serie de lentes de vidrio o plástico curvados para doblar y enfocar los rayos de luz, el nuevo sistema óptico se basa en la superuperficie: apenas medio milímetro de ancho, está tachonado con 1.6 millones de tornillos cilíndricos, cada uno del tamaño del VIH. !

Los tensioactivos están hechos de nitruro de silicio, un material similar al vidrio, y son compatibles con los métodos de fabricación de semiconductores estándar utilizados en chips de computadora. Esto significa que un diseño de superficie fantasma en particular se puede producir fácilmente en masa, dicen los investigadores, a un costo menor que los lentes de las cámaras convencionales.

El funcionamiento de la mayoría de los dispositivos ópticos convencionales se basa en cambiar la fase, amplitud o polarización del frente de onda de la luz. Las metauperficies permiten controlar el frente de onda mediante una interfaz óptica muy fina. Consisten en una serie de difusores o resonadores ópticos a nanoescala, todos colocados de manera que formen correctamente todo el frente de onda.

Las cámaras microscópicas anteriores (izquierda) capturaron imágenes borrosas y distorsionadas, con un campo de visión limitado. El nuevo sistema, llamado nanoóptica neuronal (derecha), puede producir imágenes claras y coloridas, similares a las que se encuentran en un visor estándar. Créditos: E. Tseng et al. , Nature Communications (2021)

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Entonces, cada “clavo” en la superficie tiene una geometría única y actúa como una antena óptica. Utilizando algoritmos basados ​​en el aprendizaje automático, las interacciones de estas microestructuras con la luz se combinan para producir imágenes en color de la más alta calidad con un campo de visión más amplio, nunca antes visto con una superficie oculta hasta ahora.

Un enfoque que combina óptica y procesamiento neuronal

Los dispositivos desarrollados previamente capturan generalmente imágenes borrosas y distorsionadas, con campos de visión limitados; Necesitaban luz láser pura del laboratorio u otras condiciones ideales para producir imágenes de alta calidad. Donde se destaca el enfoque rest-hunters es el diseño integrado de la superficie óptica y los algoritmos de procesamiento de señales que producen la imagen; Esto hizo posible mejorar el rendimiento de la lente en condiciones de iluminación natural, Él explicó Felix Hyde, profesor asistente de ciencias de la computación en la Universidad de Princeton y autor principal del estudio.

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De hecho, es particularmente complejo determinar qué configuración debe adoptar cada una de las microestructuras (ubicación, tamaño y forma) que cubren la superficie para obtener la mejor imagen posible. Pero uno del equipo, Shane Colborne, asumió este desafío creando un simulador de computadora para automatizar las pruebas de diferentes configuraciones de las nano antenas. Debido a la cantidad de antenas y la complejidad de sus interacciones con la luz, dijo Colborne, este tipo de simulación podría usar “enormes cantidades de memoria y tiempo”.

Los investigadores compararon las imágenes producidas con su sistema con los resultados obtenidos con los dispositivos de metasuperficie existentes, así como con las imágenes tomadas con ópticas compuestas convencionales que utilizan una serie de seis lentes refractivas. Aparte de un ligero desenfoque alrededor de los bordes del encuadre, las imágenes de la nanocámara eran comparables a las obtenidas con una configuración de lente convencional, que es más de 500.000 veces más grande.

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Heide y sus colegas ahora están trabajando para agregar más capacidades computacionales a la propia cámara, para aumentar la calidad de la imagen, así como la detección de objetos y otras capacidades para la medicina y la robótica. Su sistema podría, por ejemplo, hacer posible realizar una endoscopia mínimamente invasiva para diagnosticar y tratar enfermedades, o incluso mejorar la formación de imágenes de ciertos sistemas robóticos sujetos a limitaciones de tamaño y peso. También se pueden utilizar matrices de miles de estos objetivos para convertir una superficie completa en una cámara: Ya no necesitará tres cámaras en la parte posterior de su teléfono porque toda la parte posterior de su teléfono se convertirá en una cámara gigante. Podemos pensar en formas completamente diferentes de construir hardware en el futuro. Dijo Heidi.

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