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.

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.

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.