دوربینی به اندازه دانه نمک!

پژوهشگران "دانشگاه پرینستون"(Princeton University) و "دانشگاه واشنگتن"(University of Washington) در پروژه مشترکی، با ابداع یک دوربین فوق‌العاده پیچیده به اندازه یک دانه درشت نمک، بر این چالش غلبه کرده‌اند. آنها در پژوهش خود نشان داده‌اند 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 ربات‌های پزشکی را برای تشخیص و درمان بیماری‌ها امکان‌پذیر سازد و تصویربرداری را برای سایر ربات‌هایی که محدودیت اندازه و وزن دارند، بهبود ببخشد. مجموعه‌های 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، مجموعه‌ای از لنزهای خمیده شیشه‌ای یا پلاستیکی را برای خم کردن پرتوهای نور در فوکوس به کار می‌برد، این سیستم نوری جدید به فناوری موسوم به "فراسطح"(Metasurface) متکی است که می‌توان آن را شبیه به یک تراشه رایانه‌ای تولید کرد. عرض فراسطح، تنها نیم میلی‌متر است و ۱/۶ میلیون ساختار استوانه‌ای به شکل میله دارد که هر کدام تقریبا به اندازه ویروس "HIV" هستند.

هر میله، دارای یک هندسه منحصر به فرد است و مانند یک آنتن نوری عمل می‌کند. تغییر طراحی هر میله برای شکل دادن درست کل جبهه موج نوری، ضروری است. با کمک الگوریتم‌های مبتنی بر یادگیری ماشینی، تعامل میله‌ها با نور ممکن می‌شود تا تصاویری را با بالاترین کیفیت و وسیع‌ترین میدان دید برای یک دوربین تمام‌رنگی فراسطحی تولید کند.

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

پژوهشگران، تصاویر تولیدشده با سیستم خود را با نتایج به دست آمده از دوربین‌های فراسطحی پیشین مقایسه کردند. تصاویر ثبت‌شده با نانودوربین‌ها به جز کمی تاری در لبه‌های قاب، قابل مقایسه با تصاویر لنزهای سنتی بودند که حجم آنها بیش از ۵۰۰ هزار برابر است.

سایر لنزهای فوق‌العاده فشرده فراسطحی، مشکلاتی از جمله اعوجاج‌های عمده تصویر، میدان دید کوچک و توانایی محدود در گرفتن طیف کامل نور مرئی را شامل می‌شوند.

"ایتن تسنگ"(Ethan Tseng)، دانشجوی مقطع دکتری علوم رایانه‌ای دانشگاه پرینستون و از سرپرست‌های این پروژه گفت: طراحی و پیکربندی این ریزساختارهای کوچک برای انجام آن چه که می‌خواهید، یک چالش است. این کار برای این وظیفه ویژه یعنی ثبت تصاویر با میدان دید بزرگ، چالش‌برانگیز است زیرا میلیون‌ها ریزساختار کوچک وجود دارد و مشخص نیست که چگونه می‌توان آنها را با روش بهتری طراحی کرد.

"شین کولبرن"(Shane Colburn)، از پژوهشگران این پروژه، با ابداع یک شبیه‌ساز محاسباتی برای آزمایش خودکار پیکربندی‌های گوناگون نانو آنتن، با این چالش مقابله کرد. به گفته کولبرن، این نوع شبیه‌سازی به دلیل تعداد آنتن‌ها و پیچیدگی تعامل آنها با نور می‌تواند از حافظه و زمان قابل توجهی استفاده کند. او مدلی را برای بررسی کارآمد قابلیت‌های تولید تصویر فراسطحی با دقت کافی ایجاد کرد.

"جیمز وایتهد"(James Whitehead)، دانشجوی مقطع دکتری دانشگاه واشنگتن و از پژوهشگران این پروژه، سطوح فراسطحی را ساخت که مبتنی بر نیترید سیلیسیم بودند. نیترید سیلیسیم، ماده‌ای شیشه مانند است که با روش‌های استاندارد نیمه‌رسانا که برای تولید تراشه‌های رایانه‌ای استفاده می‌شود، سازگاری دارد. این بدان معناست که یک طرح فراسطحی معین را می‌توان به سادگی و با هزینه‌ای کمتر از هزینه تولید لنز دوربین‌های معمولی، به صورت انبوه تولید کرد.

هاید و همکارانش اکنون در تلاش هستند تا قابلیت‌های محاسباتی بیشتری را به دوربین اضافه کنند. آنها مایل هستند تا فراتر از بهینه‌سازی کیفیت تصویر، قابلیت‌ تشخیص دادن اشیا و روش‌های سنجش مربوط به پزشکی و علوم رباتیک را به این فناوری اضافه کنند.

همچنین هاید، استفاده از دوربین‌های فوق فشرده را برای ابداع سطوح به عنوان حسگر در نظر گرفته است. وی افزود: ما می‌توانیم سطوح را به دوربین‌هایی تبدیل کنیم که وضوح فوق‌العاده 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 می‌شود. ما می‌توانیم به روش‌های کاملا متفاوتی برای ساخت این دستگاه‌ها در آینده فکر کنیم.

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