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Investigadores reducen la cámara al tamaño de un grano de sal

Investigadores de la Universidad de Princeton y la Universidad de Washington han desarrollado una cámara ultracompacta del tamaño de un grano de sal grueso. El sistema se basa en una tecnología llamada metasuperficie, que está tachonada con 1,6 millones de postes cilíndricos y se puede producir como un chip de computadora.

Las cámaras de tamaño micro tienen un gran potencial para detectar problemas en el cuerpo humano y permitir la detección de robots súper pequeños, pero los enfoques anteriores capturaron imágenes borrosas y distorsionadas con campos de visión limitados.

Ahora, investigadores de la Universidad de Princeton y la Universidad de Washington han superado estos obstáculos con una cámara ultracompacta del tamaño de un grano de sal grueso. El nuevo sistema puede producir imágenes nítidas y a todo color a la par con una lente de cámara compuesta convencional 500.000 veces más grande en volumen, informaron los investigadores en un artículo publicado el día de hoy en Nature Communications.

Habilitado por un diseño conjunto del hardware de la cámara y el procesamiento computacional, el sistema podría permitir una endoscopia mínimamente invasiva con robots médicos para diagnosticar y tratar enfermedades, y mejorar la obtención de imágenes para otros robots con limitaciones de tamaño y peso. Se podrían usar matrices de miles de cámaras de este tipo para la detección de escena completa, convirtiendo superficies en cámaras.

Mientras que una cámara tradicional utiliza una serie de lentes de vidrio o plástico curvados para enfocar los rayos de luz, el nuevo sistema óptico se basa en una tecnología llamada metasuperficie, que se puede producir de manera muy similar a un chip de computadora. Con solo medio milímetro de ancho, la metasuperficie está tachonada con 1,6 millones de postes cilíndricos, cada uno aproximadamente del tamaño del virus de inmunodeficiencia humana (VIH).

Cada poste tiene una geometría única y funciona como una antena óptica. Es necesario variar el diseño de cada poste para dar forma correctamente a todo el frente de onda óptica. Con la ayuda de algoritmos basados ​​en aprendizaje automático, las interacciones de las publicaciones con la luz se combinan para producir imágenes de la más alta calidad y el campo de visión más amplio para una cámara de metasuperficie a todo color desarrollada hasta la fecha.

Las cámaras de tamaño micro anteriores (izquierda) capturaron imágenes borrosas y distorsionadas con campos de visión limitados. Un nuevo sistema llamado nanoóptica neuronal (derecha) puede producir imágenes nítidas a todo color a la par con una lente de cámara compuesta convencional. Imagen cortesía de los investigadores

Una innovación clave en la creación de la cámara fue el diseño integrado de la superficie óptica y los algoritmos de procesamiento de señales que producen la imagen. Esto impulsó el rendimiento de la cámara en condiciones de luz natural, en contraste con las cámaras de metasuperficie anteriores que requerían la luz láser pura de un laboratorio u otras condiciones ideales para producir imágenes de alta calidad, dijo Felix Heide, autor principal del estudio y profesor asistente de informática. ciencia en Princeton.

Los investigadores compararon las imágenes producidas con su sistema con los resultados de cámaras de metasuperficie anteriores, así como con las imágenes capturadas por una óptica compuesta convencional que utiliza una serie de seis lentes refractivas. Aparte de un poco de desenfoque en los bordes del marco, las imágenes de la cámara de tamaño nanométrico eran comparables a las de la configuración de lente tradicional, que es más de 500.000 veces más grande en volumen.

Otras lentes de metasuperficie ultracompactas han sufrido distorsiones de imagen importantes, campos de visión pequeños y capacidad limitada para capturar el espectro completo de luz visible, lo que se conoce como imágenes RGB porque combina rojo, verde y azul para producir diferentes tonos.

Heide y sus colegas ahora están trabajando para agregar más capacidades computacionales a la propia cámara. Más allá de optimizar la calidad de la imagen, les gustaría agregar capacidades para la detección de objetos y otras modalidades de detección relevantes para la medicina y la robótica.

Heide también prevé el uso de generadores de imágenes ultracompactos para crear “superficies como sensores”. Además de Tseng, Colburn, Whitehead, Majumdar y Heide, los autores del estudio incluyen a Luocheng Huang, un Ph.D. estudiante de la Universidad de Washington; y Seung-Hwan Baek, investigador asociado postdoctoral en Princeton.

El trabajo fue apoyado en parte por la National Science Foundation, el Departamento de Defensa de EE. UU., UW Reality Lab, Facebook, Google, Futurewei Technologies y Amazon.

Más información: Facultad de Ingeniería Universidad de Princeton

10 thoughts on “Investigadores reducen la cámara al tamaño de un grano de sal

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