Neurální nanokamera velikosti zrnka soli pořizuje kvalitní barevné snímky  
Nová kamera s metapovrchem se téměř ztrácí na prstu. Díky těsnému propojení metapovrchu s algoritmy strojového učení pořizuje kvalitní barevné snímky, které z ní dělají nejlepší současné zařízení tohoto typu. Těšit se mohou v medicíně i v robotice. Časem se možná objeví chytré telefony, které budou mít jako kameru celou zadní stranu s metapovrchem.
Nanokamera. Kredit: Princeton University.
Nanokamera. Kredit: Princeton University.

Kamery nepatrných velikostí by mohly mít rozmanité uplatnění, od medicíny, přes robotiku až po bezpečnostní a obranné technologie. Dosavadní miniaturní kamery ale obvykle přinášely nepříliš kvalitní obraz omezeného zorného pole. Odborníci amerických Princeton University a University of Washington tyto problémy překonali a vytvořili ultrakompaktní kameru, která je velká jako zrno soli.

 

Felix Heide. Kredit: Princeton University.
Felix Heide. Kredit: Princeton University.

 

Navzdory své velikosti tato kamera pořizuje kvalitní barevné snímky, které jsou srovnatelné se snímky konvenčních kamer, co jsou půl milionkrát větší. Klíčem k úspěchu kamery je její design, který zahrnuje a těsně propojuje metapovrch a pokročilé počítačové zpracování dat. Kamery tohoto typu bude možné používat jednotlivě, například při minimálně invazivní endoskopii nebo pro miniaturní roboty. Další možností je používat takové kamery ve velkých počtech, což by proměnilo v kamery celé plochy. Časem by to mohlo vypadat tak, že chytré telefony nebudou vybaveny několika kamerami, ale že celá zadní část telefonu bude fungovat jako jedna velká „kamera“ s metapovrchem. To by úplně změnilo architekturu podobných zařízení.

 

 

Vlevo snímek soudobou top kamerou s metapovrchem. Vpravo snímek nové kamery. Kredit: Princeton University.
Vlevo snímek soudobou top kamerou s metapovrchem. Vpravo snímek nové kamery. Kredit: Princeton University.

Tradiční kamery využívají čočky a podobné prvky. Nová kamera využívá metapovrch z nitridu křemíku, strukturu o šířce půl milimetru, který zahrnuje 1,6 milionu nepatrných válečků, každý zhruba o velikosti částice viru HIV. Každý váleček má specifickou geometrii a funguje jako optická nanoanténa. Systém je napojený na algoritmy strojového učení a s pomocí této inteligence vznikají snímky nejvyšší kvality a s největším zorným polem ze všech doposud vyvinutých podobných kamer s metapovrchy.

 

 

Jak uvádí vedoucí výzkumného týmu Felix Heide z Princetonu, převratný design kamery posiluje její výkon za běžných světelných podmínek. Předešlé typy kamer s metapovrchy obvykle při pořizování kvalitních snímků vyžadovaly osvětlení laserem či jiné ideální, tedy nereálné podmínky. Součástí vývoje nové kamery s metapovrchem byl virtuální simulátor, který automatizoval testování různých konfigurací optických nanoantén metapovrchu zmíněné kamery. Vzhledem k astronomickému počtu nanoantén a složitosti jejich interakcí se zářením byly tyto simulace velice náročné a vyžadovaly vývoj modelu, který je usnadnil.

 

Video: Designing Cameras to Detect the “Invisible”, invited talk by Felix Heide, Princeton University

 

Literatura

Princeton University 29. 11. 2021.

Nature Communications 12: 6493.

Datum: 30.11.2021
Tisk článku

Související články:

Nový 3D tištěný metamateriál se po zahřátí smrskne     Autor: Stanislav Mihulka (28.10.2016)
Nová metačočka ohýbá paprsky všech barev duhy     Autor: Stanislav Mihulka (02.01.2018)
Průlom v metamateriálech: Jak proměnit průhledný kalcit na umělé zlato?     Autor: Stanislav Mihulka (11.06.2021)



Diskuze:

Zaujímalo by ma

Vladimír Bzdušek,2021-12-01 14:43:03

akým mechanizmom to reaguje na farbu.

Odpovědět


Re: Zaujímalo by ma

Vladimír Bzdušek,2021-12-02 12:34:40

Sťahujem. Otázka je asi pre metamateriály nezmyselná. Ale zostáva problém výroby-veľkosť štruktúr metamateriálu so záporným indexom lomu pre viditeľné spektrum.

Odpovědět

Pokud je mi známo,

Pavel Nedbal,2021-11-30 21:36:56

je rozlišení jakékoliv kamery limitováno přímo průměrem objektivu a nepřímo vlnovou délkou světla. Přes to omezení nejede vlak - je to limit pro rozlišení dvou sousedních bodů snímaného povrchu. Sorry jako.

Odpovědět


Re: Pokud je mi známo,

Viktor L.,2021-11-30 22:05:37

U difrakční optiky ne, a existuje už celá řada dalších triků, jak to obejít.

Odpovědět


Re: Re: Pokud je mi známo,

Florian Stanislav,2021-12-01 20:01:03

Ano.
Difrakční brýle pracují se stovkami vrypů na milimetr, tady jde o miliony vláken na milimetr.
Klasická čočková optika je schopna rozlišit předměty srovnatelné s vlnovou délkou, předmět menší jak polovina vlnové délky světlo obteče, neodrazí se. Zhruba tedy rozliší 0,2 mm ( jako lidské oko) až 0,2 mikrometru (=200 nm).
V článku je uvedeno, že na 0,5 mm je 1,6 milionu ( válcovitých) nanovláken. mají tedy tloušťku 3,1E-7 mm = 3,1E-10 m = 0,31 nm. Viditelné světlo se obvykle uvádí 390-760 nm, tedy i pro fialové světlo (380 až 430 nm) více než 1000x větší jak šířka nanovláken.
Výpočet skládání vlnění pro tak obrovské množství vln při difrakci, je mimořádně složitý, uvádí článek.
Výhledy pro celoplošný fotoaparát mobilu vidím černě.
a) Prach, pyl, nečistoty na ploše mobilu. .
Pylová zrna jsou různě velká, od 2-4 μm u pomněnky po 250 μm u tykve.
Řekněme 31 mikrometrů, to je zhruba 100 000 x větší, jak tloušťka uvedených nanovláken.
b) Tepelná roztažnost. Sklo má zhruba alfa = 8,5E-6 [1/K]. Na 10 cm délka a změnu teploty 10K to bude 8,5E-6 m, tedy 8,5 mikrometru. I kdyby pro fotoaparát byly vyčleněny jen části plochy, vzdálenost mezi nimi bude kolísat.
Zatím jsme si zvykli, že mobil umí telefonovat, počítat i fotit, ale aby mu ta fotka nová nezabrala celý možný výkon.

Odpovědět


Re: Re: Re: Pokud je mi známo,

Vladimír Bzdušek,2021-12-01 22:41:01

Tých 0,31 nm je asi toľko ako vzdialenosť atómov v kryštálovej mriežke. (Neviem koľko je to presne pre nitrid kremíku). Ako realizovali štruktúry tejto veľkosti? Najhustejšie miroprocesory sú niekde na 5 nm?

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Pokud je mi známo,

Florian Stanislav,2021-12-02 11:48:09

Zdroj pod článkem https://engineering.princeton.edu/news/2021/11/29/researchers-shrink-camera-size-salt-grain
"Vědci z Princetonské univerzity a Washingtonské univerzity vyvinuli ultrakompaktní fotoaparát o velikosti hrubého zrnka soli. Systém spoléhá na technologii zvanou metasurface, která je poseta 1,6 miliony válcových sloupků a lze ji vyrobit podobně jako počítačový čip."
Jemné zrnko soli velikost zrnek 0,25 – 0,5 mm. takže těch 0,5 mm je asi opravdu strana plochy.
Souhlasím s Vámi.
Ale dokud nevíme, jak jsou válečky dlouhé, tak odmocnění vede k odhadu vzdálenosti hodně přibližně.

Odpovědět


Re: Re: Re: Pokud je mi známo,

Martin Joska,2021-12-02 07:25:26

Ja předpokládám, že oněch zmiňovaných 1.6 milionů válečků je na ploše kamery. To znamená že výsledná šířka válečků bude o 3 řády jinde než vyšlo vám.
Takže když si to odmocním, dostanu cca 1265 válečků na řádek. A tím se dostaneme na tloušku cca 0.39μm nebo 390nm.

Odpovědět


Re: Pokud je mi známo,

Zdeněk Kratochvíl,2021-11-30 22:05:38

Samozřejmě. Pro řadu aplikací by však při průměru ca 1 mm mohlo rozlišení něco přes 2 úhlové minuty stačit, odpovídalo by necelé půlce slušně vykresleného zorného pole normálního oka. Navíc je možné použít nějakou ještě chytřejší analogii tradičního triku astronomů, totiž skládání vícera snímků do jednoho (třeba i rovnou v expozici nebo potom), pak se rozlišení zlepšuje zhruba s odmocninou počtu těch složenin nebo v praxi o něco hůř. Uvedený vztah samozřejmě platí, ale v nějaké míře se s tím dá čarovat, pokud je dost světla nebo času, resp. času krát světla.

Odpovědět


Re: Pokud je mi známo,

Vít Výmola,2021-12-01 22:43:05

Jak už někteří odpovídali, to platí pro klasickou optiku (čočky, zrcadla...). Tady ale použili metamateriály, kde to funguje jinak. Popsáno třeba zde:
https://www.aldebaran.cz/bulletin/2006_16_met.php
https://www.aldebaran.cz/bulletin/2004_49_vln.php

Odpovědět


Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku







Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace