Peneliti mengecilkan kamera hingga seukuran sebutir garam – Majalah Time.com

Sekarang, para peneliti di Universitas Princeton dan Universitas Washington telah mengatasi hambatan ini dengan kamera ultrakompak seukuran sebutir garam kasar. Sistem baru ini dapat menghasilkan gambar penuh warna yang tajam setara dengan lensa kamera majemuk konvensional yang volumenya 500.000 kali lebih besar, para peneliti melaporkan dalam sebuah kertas diterbitkan di Nature Communications.

Diaktifkan oleh desain gabungan perangkat keras kamera dan pemrosesan komputasi, sistem dapat memungkinkan endoskopi invasif minimal dengan robot medis untuk mendiagnosis dan mengobati penyakit, dan meningkatkan pencitraan untuk robot lain dengan batasan ukuran dan berat. Susunan ribuan kamera semacam itu dapat digunakan untuk penginderaan adegan penuh, mengubah permukaan menjadi kamera.

Sementara kamera tradisional menggunakan serangkaian kaca melengkung atau lensa plastik untuk membelokkan sinar cahaya menjadi fokus, sistem optik baru bergantung pada teknologi yang disebut metasurface, yang dapat diproduksi seperti chip komputer. Lebarnya hanya setengah milimeter, permukaan metanya dipenuhi dengan 1,6 juta tiang silinder, masing-masing kira-kira seukuran human immunodeficiency virus (HIV).

Setiap tiang memiliki geometri yang unik dan berfungsi seperti antena optik. Memvariasikan desain setiap tiang diperlukan untuk membentuk seluruh muka gelombang optik dengan benar. Dengan bantuan algoritme berbasis pembelajaran mesin, interaksi pos dengan cahaya digabungkan untuk menghasilkan gambar berkualitas tinggi dan bidang pandang terluas untuk kamera metasurface penuh warna yang dikembangkan hingga saat ini.

Kamera berukuran mikro sebelumnya (kiri) menangkap gambar kabur dan terdistorsi dengan bidang pandang terbatas. Sebuah sistem baru yang disebut saraf nano-optik (kanan) dapat menghasilkan gambar penuh warna yang tajam setara dengan lensa kamera majemuk konvensional. Ilustrasi oleh para peneliti

Inovasi utama dalam pembuatan kamera adalah desain terintegrasi dari permukaan optik dan algoritma pemrosesan sinyal yang menghasilkan gambar. Ini meningkatkan kinerja kamera dalam kondisi cahaya alami, berbeda dengan kamera metasurface sebelumnya yang membutuhkan sinar laser murni dari laboratorium atau kondisi ideal lainnya untuk menghasilkan gambar berkualitas tinggi, kata Felix Heide, penulis senior studi dan asisten profesor ilmu Komputer di Princeton.

Para peneliti membandingkan gambar yang dihasilkan dengan sistem mereka dengan hasil kamera metasurface sebelumnya, serta gambar yang diambil oleh optik majemuk konvensional yang menggunakan serangkaian enam lensa bias. Selain sedikit buram di tepi bingkai, gambar kamera berukuran nano sebanding dengan pengaturan lensa tradisional, yang volumenya lebih dari 500.000 kali lebih besar.

Lensa metasurface ultrakompak lainnya telah mengalami distorsi gambar besar, bidang pandang kecil, dan kemampuan terbatas untuk menangkap spektrum penuh cahaya tampak — disebut sebagai pencitraan RGB karena menggabungkan warna merah, hijau dan biru untuk menghasilkan warna yang berbeda.

“Merupakan tantangan untuk merancang dan mengonfigurasi struktur nano kecil ini untuk melakukan apa yang Anda inginkan,” kata Ethan Tseng, sebuah ilmu komputer Ph.D. mahasiswa di Princeton yang ikut memimpin penelitian. “Untuk tugas khusus menangkap gambar RGB bidang pandang besar ini, sebelumnya tidak jelas bagaimana merancang bersama jutaan struktur nano bersama dengan algoritme pasca-pemrosesan.”

Penulis pendamping Shane Colburn mengatasi tantangan ini dengan membuat simulator komputasi untuk mengotomatiskan pengujian konfigurasi antena nano yang berbeda. Karena jumlah antena dan kerumitan interaksinya dengan cahaya, jenis simulasi ini dapat menggunakan “jumlah memori dan waktu yang sangat besar,” kata Colburn. Dia mengembangkan model untuk secara efisien memperkirakan kemampuan produksi gambar metasurfaces dengan akurasi yang cukup.

Colburn melakukan pekerjaan sebagai Ph.D. mahasiswa di Departemen Teknik Elektro & Komputer Universitas Washington (UW ECE), di mana dia sekarang menjadi asisten profesor afiliasi. Dia juga mengarahkan desain sistem di Tunoptix, sebuah perusahaan berbasis di Seattle yang mengkomersialkan teknologi pencitraan metasurface. Tunoptix didirikan oleh penasihat lulusan Colburn Kembali Tinggi, seorang profesor di University of Washington di ECE dan departemen fisika dan rekan penulis studi ini.

Rekan penulis James Whitehead, Ph.D. mahasiswa di UW ECE, membuat metasurfaces, yang didasarkan pada silikon nitrida, bahan seperti kaca yang kompatibel dengan metode manufaktur semikonduktor standar yang digunakan untuk chip komputer — yang berarti bahwa desain metasurface yang diberikan dapat dengan mudah diproduksi secara massal dengan biaya lebih rendah daripada lensa pada kamera konvensional.

“Meskipun pendekatan desain optik bukanlah hal baru, ini adalah sistem pertama yang menggunakan teknologi optik permukaan di bagian depan dan pemrosesan berbasis saraf di bagian belakang,” kata Joseph Mait, seorang konsultan di Mait-Optik dan mantan peneliti senior dan kepala ilmuwan di Laboratorium Penelitian Angkatan Darat AS.

“Pentingnya karya yang diterbitkan adalah menyelesaikan tugas Hercules untuk bersama-sama merancang ukuran, bentuk, dan lokasi jutaan fitur metasurface dan parameter pemrosesan pasca-deteksi untuk mencapai kinerja pencitraan yang diinginkan,” tambah Mait, yang tidak terlibat. dalam studi.

Heide dan rekan-rekannya sekarang bekerja untuk menambahkan lebih banyak kemampuan komputasi ke kamera itu sendiri. Selain mengoptimalkan kualitas gambar, mereka ingin menambahkan kemampuan untuk deteksi objek dan modalitas penginderaan lain yang relevan untuk kedokteran dan robotika.

Heide juga membayangkan menggunakan pencitra ultrakompak untuk membuat “permukaan sebagai sensor.” “Kami dapat mengubah permukaan individu menjadi kamera yang memiliki resolusi sangat tinggi, sehingga Anda tidak memerlukan tiga kamera di bagian belakang ponsel Anda lagi, tetapi seluruh bagian belakang ponsel Anda akan menjadi satu kamera raksasa. Kami dapat memikirkan cara yang sangat berbeda untuk membangun perangkat di masa depan, ”katanya.

Ditulis oleh Molly Sharlach

Sumber: Universitas Princeton