Исследователи из Принстонского и Вашингтонского университетов разработали инновационную систему формирования изображения размером с крупицу соли. Сверхкомпактная камера представляет собой так называемую метаповерхность диаметром 0,5 мм из множества цилиндрических столбиков, выполняющих функцию традиционной фотоматрицы.
Обычная камера работает за счёт взаимодействия сложной конструкции из пластиковых или стеклянных линз, которые направляют луч света к фотоматрице для преобразования оптического изображения в электрические сигналы. Метаповерхности, покрытые наноструктурами в виде выступов или отверстий, применяются в экспериментах по управлению светом в качестве металинз уже на протяжении многих лет. Уникальность разработки американских исследователей заключается в формировании инновационной структуры из 1,6 миллиона цилиндрических столбиков. Каждый выступ на поверхности сверхкомпактной камеры размещён стратегически с тем, чтобы преломлять свет в строго заданном направлении. Эти столбики действуют как оптические антенны, которые улавливают различные длины света и формируют оптический волновой фронт.
Далее камера преобразует полученный оптический сигнал в полноцветные фотографии при помощи специального алгоритма искусственного интеллекта. Миниатюрные размеры метаповерхности нисколько не мешают ей производить изображения, которые не только не уступают, но даже превосходят по качеству фотографии, получаемые при помощи традиционных фотоматриц миниатюрных размеров. В ходе экспериментов учёные получили RGB снимки с разрешением 720 × 720 пикселей. Цвета на изображении представлены длинами волн от 400 до 700 нм, что соответствует диапазону спектра, видимого для наших глаз. Контрольная камера эксперимента была представлена шестиэлементоной оптической системой, в 550 тысяч раз превышающей габариты экспериментального устройства.
Данная метаповерхность состоит из нитрида кремния – относительно недорогого материала, распространённого в множестве промышленных отраслей. Нанесение столбиков на плоскость осуществляется при помощи DUV-литографии – технологии, широко применяемой в печати полупроводниковых микросхем. По словам авторов проекта, даже на данном этапе развития такая камера пригодна для серийного производства в промышленных масштабах. Учёные считают, что подобные устройства могут найти применение в различных областях, которые могли бы выиграть от компактных габаритов камеры. Прежде всего исследователи заинтересованы в медицинской отрасли, где крошечная камера могла бы выполнять задачи минимально инвазивной эндоскопии для диагностики и лечения заболеваний внутренних органов. По словам профессора Феликса Хейде, метаповерхности также применимы в робототехнике, системах безопасности, технологиях автономного вождения и даже в смартфонах.
Источник: Neural nano-optics for high-quality thin lens imaging