Cameratechnologie krimpt al jaren zichtbaar in zijn uitersten, en vooral sinds de komst van smartphones in de wereld, maar deze nieuwe camera duwt zelfs die uitersten op unieke nieuwe manieren.
Ondanks dat het letterlijk zo groot is als een korrel zout (en er eigenlijk ook een beetje op lijkt), kan een nieuwe microcamera ontwikkeld door onderzoekers van Princeton University foto’s maken in scherpe resolutie en full color die vergelijkbaar zijn met die gemaakt door camera’s die honderdduizenden keren groter zijn.
Het extreem kleine apparaat doet dit dankzij 1,6 miljoen interne “ogen”, elk ongeveer zo groot als een hiv-virus. Deze bedekken een deel van de camera langs wat de onderzoekers de “metasurface” noemen.
Voor de hand liggende mogelijke toepassingen voor deze supermicrocamera zijn medische beeldvorming door middel van in-body sondes, microscopische verkenning, microrobotica en mogelijk nieuwe ultracompacte consumentencamera’s.
Tot nu toe bestaan microcamera’s al geruime tijd, maar zijn ze zelden uitzonderlijk goed geweest. Hun beeldkwaliteit is vaak verzwakt door basislimieten in de fysica van ultrakleine lenzen die licht effectief genoeg vastleggen voor heldere foto’s.
Gewone camera’s zijn bijvoorbeeld normaal gesproken afhankelijk van lensarrays die licht scherpstellen, en deze lenzen moeten een bepaalde grootte hebben, net als het apparaat eromheen.
Om dit te omzeilen voor echt geminiaturiseerde cameratechnologieën, is een andere methode nodig geweest. Het ging hierbij om ‘meta-optica’, waarbij ultrakleine nanostructuren worden gemaakt om een metaoppervlak te bedekken.
Elk van deze kleine structuren vangt vervolgens fotonen van licht op en zendt ze opnieuw uit en verandert ze in een computersignaal dat als een beeld kan worden gereconstrueerd.
In zekere zin werken deze structuren en hun metasurfaces als de sensoren in normale spiegelloze consumenten- en DSLR-camera’s, maar op een veel kleinere schaal per nanostructuurknoop dan voor de pixels in een gemiddelde full-size camera, en natuurlijk zonder een lens voor hen.
In het geval van deze nieuwe microcamera ontwikkelden de onderzoekers een uniek nieuw type plaatmateriaal met subgolflengtedikte en op het 0,5 mm brede oppervlak plaatsten ze 1,6 miljoen van deze nanostructuren, die ze lichtgevoelige berichten noemen.
Elk van deze berichten dient het doel van een individueel foton-vastleggen / uitzendend knooppunt, maar is alleen zo groot als een HIV-virusmonster.
De individuele nanostructuurpalen absorberen vervolgens inkomende fotonen en het onderliggende metaoppervlak vertaalt de fotonen die naar alle 1,6 miljoen van hen komen in een reeks signalen die een computer kan reconstrueren in volledige beelden.
De resulterende foto’s meten tot 720 x 720 pixels en worden in kleur vastgelegd tussen de golflengten van 400 en 700 nm natuurlijk licht. De beelden hebben ook een gezichtsveld van 40 graden en een f-getal van 2. Met andere woorden, deze foto’s zijn vergelijkbaar met die van een conventionele cameralens die 500.000 groter is dan dit micro-apparaat.
De sleutel tot effectieve fotografie in al het bovenstaande is dat nieuwe machine learning-algoritmen door de onderzoekers worden gebruikt om de optische signalen naar de nanostructuurposten te interpreteren, zodat ze echt fatsoenlijke beelden reconstrueren. Voorafgaand aan deze nieuwere ontwikkelingen falen microcamera’s meestal vreselijk op dat laatste, cruciale deel van het werk.
De nieuwe camera van de Princeton-onderzoekers doet het veel beter, zoals de onderstaande vergelijkingsbeelden laten zien.
Het wordt ook verbeterd om grote gezichtsveldafbeeldingen vast te leggen. Zoals een van de betrokken onderzoekers, promovendus Ethan Tsen, uitlegt: “het is een uitdaging omdat er miljoenen van deze kleine microstructuren zijn en het niet duidelijk is hoe ze op een optimale manier kunnen worden ontworpen,”
De senior auteur van dit onderzoeksproject, Felix Heide, heeft ook beweerd dat hij en zijn collega’s nu verbeterde rekenvaardigheden voor de camera ontwikkelen, zodat deze niet alleen beelden van betere kwaliteit produceert, maar ook objectdetectie ontwikkelt.
Mogelijk, met voldoende ontwikkeling, zou de nieuwe metasurface-optica in deze nieuwste microcamera op bijna elk oppervlak kunnen worden toegepast om het foto-opnamecapaciteit te geven. Dat is op zich al een angstaanjagend idee.
De volledige details van hoe de onderzoekers de camera en zijn microoppervlakken hebben ontwikkeld, zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
Bekijk deze 8 essentiële tools om je te helpen slagen als professionele fotograaf.
Inclusief tijdelijke kortingen.
Lees hier meer