دوربینی به مقدار دانه نمک! - ورزش من و تو

به گزارش ایسنا و به نقل از فیز، پژوهشگران دانشگاه پرینستون (Princeton University) و دانشگاه واشنگتن (University of Washington) در پروژه مشترکی، با ابداع یک دوربین فوق العاده پیچیده به مقدار یک دانه درشت نمک، بر این چالش غلبه نموده اند. آن ها در پژوهش خود نشان داده اند که این سیستم نو می تواند تصاویری واضح و تمام رنگی را فراوری کند.

این سیستم با طراحی پردازش محاسباتی و سخت افزار دوربین می تواند آندوسکوپی غیرتهاجمی با ربات های پزشکی را برای تشخیص و درمان بیماری ها امکان پذیر سازد و تصویربرداری را برای سایر ربات هایی که محدودیت مقدار و وزن دارند، بهبود ببخشد. مجموعه های متشکل از هزاران دوربین مشابه این نمونه می توانند برای سنجش تمام صحنه استفاده شوند و سطوح را به دوربین تبدیل نمایند.

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 به کار می برد، این سیستم نوری نو به فناوری موسوم به فراسطح (Metasurface) متکی است که می توان آن را شبیه به یک تراشه رایانه ای فراوری کرد. عرض فراسطح، تنها نیم میلی متر است و 1/6 میلیون ساختار استوانه ای به شکل میله دارد که هر کدام تقریبا به مقدار ویروس HIV هستند.

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

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

پژوهشگران، تصاویر فراوریشده 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 آن ها بیش از 500 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 گفت: طراحی و پیکربندی این ریزساختار های کوچک برای انجام آن چه که می خواهید، 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 تعیین نیست که چگونه می توان آن ها را با روش بهتری طراحی کرد.

شین کولبرن (Shane Colburn)، از پژوهشگران این پروژه، با ابداع یک شبیه ساز محاسباتی برای آزمایش اتوماتیک پیکربندی های گوناگون نانو آنتن، با این چالش مقابله کرد. به گفته کولبرن، این نوع شبیه سازی به علت تعداد آنتن ها و پیچیدگی تعامل آن ها با نور می تواند از حافظه و زمان قابل توجهی استفاده کند. او مدلی را برای آنالیز کارآمد قابلیت های فراوری 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، ماده ای شیشه مانند است که با روش های استاندارد نیمه رسانا که برای فراوری تراشه های رایانه ای استفاده می گردد، سازگاری دارد. این بدان معناست که یک طرح فراسطحی مشخص را می توان به سادگی و با هزینه ای کمتر از هزینه فراوری لنز دوربین های معمولی، به صورت انبوه فراوری کرد.

هاید و همکارانش اکنون در کوشش هستند تا قابلیت های محاسباتی بیشتری را به دوربین اضافه نمایند. آن ها مایل هستند تا فراتر از بهینه سازی کیفیت تصویر، قابلیت تشخیص دادن اشیا و روش های سنجش مربوط به پزشکی و علوم رباتیک را به این فناوری اضافه نمایند.

بعلاوه هاید، استفاده از دوربین های فوق فشرده را برای ابداع سطوح به عنوان حسگر در نظر گرفته است. وی اضافه نمود: ما می توانیم سطوح را به دوربین هایی تبدیل کنیم که وضوح فوق العاده بالایی دارند. با یاری این فناوری، دیگر به سه دوربین در پشت تلفن همراه خود احتیاج نخواهید داشت، بلکه همه قسمت پشت تلفن همراه شما به یک دوربین بزرگ تبدیل می گردد. ما می توانیم به روش های کاملا متفاوتی برای ساخت این دستگاه ها در آینده فکر کنیم.

این پژوهش، در مجله Nature Communications به چاپ رسید.