Die salzkorngroße Kamera. (Princeton Universität) Wissenschaftlicher Einfallsreichtum führt dazu, dass Kameras immer kleiner werden, und die neueste Version ist nicht nur unglaublich klein – so groß wie ein Salzkorn – sie kann auch Bilder von viel besserer Qualität erzeugen als viele andere ultrakompakte Kameras .
Mithilfe einer Technologie namens Metaoberfläche, die mit 1,6 Millionen zylindrischen Pfosten bedeckt ist, ist die Kamera in der Lage, Vollfarbfotos aufzunehmen, die genauso gut sind wie Bilder, die mit herkömmlichen Objektiven aufgenommen wurden, die etwa eine halbe Million Mal größer sind als diese spezielle Kamera.
Und das superkleine Gerät hat das Potenzial, in einer ganzen Reihe von Szenarien hilfreich zu sein, angefangen bei der Unterstützung im Miniaturformat weiche Roboter Erkunden Sie die Welt, um Experten eine bessere Vorstellung davon zu vermitteln, was tief im Inneren des menschlichen Körpers vor sich geht.
Vorhandene Mikrokamera (links) im Vergleich zum neuen Modell (rechts). (Princeton Universität)
„Es war eine Herausforderung, diese kleinen Mikrostrukturen so zu entwerfen und zu konfigurieren, dass sie das tun, was Sie wollen.“ sagt Informatiker Ethan Tseng von der Princeton University in New Jersey.
„Für diese spezielle Aufgabe, RGB-Bilder mit großem Sichtfeld zu erfassen, war bisher unklar, wie die Millionen von Nanostrukturen zusammen mit Nachbearbeitungsalgorithmen gemeinsam gestaltet werden sollten.“
Einer der besonderen Tricks der Kamera ist die Art und Weise, wie sie Hardware mit rechnerischer Verarbeitung kombiniert, um das aufgenommene Bild zu verbessern: Signalverarbeitungsalgorithmen nutzen maschinelles Lernen Techniken zur Reduzierung von Unschärfe und anderen Verzerrungen, die sonst bei Kameras dieser Größe auftreten. Die Kamera nutzt effektiv Software, um ihre Sicht zu verbessern.
Später könnten diese Algorithmen nicht nur für die Bildverbesserung eingesetzt werden. Sie könnten eingesetzt werden, um bestimmte Objekte, nach denen die Kamera sucht, automatisch zu erkennen, beispielsweise Anzeichen einer Krankheit im menschlichen Körper.
Diese Verarbeitung kommt zu der Metasurface-Konstruktion hinzu, die die üblichen gebogenen Glas- oder Kunststofflinsen durch ein Material mit einer Breite von nur einem halben Millimeter ersetzt. Jeder der 1,6 Millionen zylindrischen Pfosten wurde individuell entworfen, um das, was sich vor der Kamera befindet, bestmöglich einzufangen. Mithilfe von Computermodellen wurde die optimale Konfiguration ermittelt.
Eine Illustration der Oberfläche der winzigen Kamera mit ihren vielen Zylindern. (Princeton Universität)
„Die Bedeutung der veröffentlichten Arbeit besteht darin, die Herkulesaufgabe zu vollenden, die Größe, Form und Position der Millionen Merkmale der Metaoberfläche sowie die Parameter der Nacherkennungsverarbeitung gemeinsam zu entwerfen, um die gewünschte Bildleistung zu erreichen.“ sagt Joseph Mait, Berater für Computer-Bildgebung von Mait-Optik, der nicht an der Forschung beteiligt war.
Das glasartige Siliziumnitrid, aus dem die Metaoberfläche besteht, ist ein Material, das in herkömmliche Elektronikfertigungsprozesse passt, was bedeutet, dass es nicht allzu schwierig sein dürfte, die Produktion dieser winzig kleinen Kameras mit bereits vorhandenen Verfahren und Geräten zu steigern an Ort und Stelle.
Es gibt zwar noch viel zu tun, um dies vom Labor in eine kommerzielle Produktionslinie zu bringen, doch die Anzeichen stehen gut, dass es möglich ist. Sobald das erledigt ist, werden wir Zugang zu superkleinen Kameras haben, die auch tatsächlich ein anständiges Bild machen können.
Für solche Miniaturkameras gibt es noch eine weitere mögliche Verwendung: Sie können als Abdeckschicht ganze Flächen in Kameras verwandeln und so eine herkömmliche Kamera über dem Laptop-Bildschirm oder auf der Rückseite eines Smartphones überflüssig machen.
„Wir könnten einzelne Oberflächen in Kameras mit ultrahoher Auflösung verwandeln, sodass Sie nicht mehr drei Kameras auf der Rückseite Ihres Telefons benötigen würden, sondern die gesamte Rückseite Ihres Telefons zu einer riesigen Kamera würde.“ sagt Informatiker Felix Heide von der Princeton University.
„Wir können uns völlig andere Wege vorstellen, Geräte in der Zukunft zu bauen.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturkommunikation .