Kamera på størrelse med et saltkorn

Forskere ved Princeton University og University of Washington har presentert et kamerasystem på størrelse med et saltkorn.

Selve «optikken» måler ikke mer enn en halv millimeter hver vei, mens sensorbiten av systemet er en millimeter hver vei.

Systemet er utviklet ved bruk av en metastruktur, der en overflate med et stort antall mikroskopiske «søyler» styrer lysets gang.

Disse «nanosøylene» er plassert i et bestemt mønster, og hver av dem endrer fase på lyset på en kontrollert måte.

Kameraet omfatter et område med om lag 1,6 millioner slike nanosøyler, organisert for å fange og bearbeide fotoner fra ulike retninger. Resultatet er et system som kan frembringe bilder i farger uten bruk av tradisjonelle linser.

Flat struktur

Strukturen er basert på prinsippet om at lysets bølgefront kan styres direkte på en flat overflate. Vanlige kamerasystemer benytter linser med kurvet overflate for å samle og fokusere lys.

Her er denne funksjonen erstattet av en flat struktur med mønstre som fungerer som mikroskopiske antenner. Hver antenne justerer lysets fase, slik at lysbølger kan samordnes og omdannes til et bilde.

Krever regnekraft

Systemet krever en algoritmisk prosessering for å oversette det innkommende lyset til et bilde. Rådata fra metastrukturen behandles ved bruk av metoder for beregningsbasert bildebehandling. Signalet fra nanosøylene mates inn i en algoritme som rekonstruerer mønstre og oversetter dem til et synlig bilde.

Denne tilnærmingen knytter optikk og databehandling sammen. Uten databehandlingen ville ikke den flate metastrukturen alene gi et brukbart bilde, da råsignalene må tolkes av algoritmen. Metoden benytter teknikker fra maskinlæring for å optimere gjenoppbygningen av bildene og for å tilpasse seg ulike betingelser for lys og motiv.

Forskerne benyttet vanlige silisiumbaserte prosesser i fremstillingen av metastrukturen. Dette gjør at produksjonen kan gjøres på vanlige silisiumskiver med mange enheter per skive.

Mange muligheter

Slike kamerabrikker kan dermed plasseres i store antall på overflater eller i systemer der plass og vekt er begrenset. Slik vil systemer som tidligere trengte større optikk, kunne minimeres til svært små kameraer. I tillegg åpner dette for bruk i konfigurasjoner som krever kamerasystemer som kan integreres tett i materialer eller komponenter.

Teknologien kan være relevant for endoskopi i medisinsk sammenheng, der det er behov for svært små bildesystemer som kan føres inn i kroppens indre strukturer.

I slike anvendelser vil det være mulig å plassere et stort antall kameraer der tradisjonelle systemer er for store. Dette kan omfatte instrumenter som må undersøke trange passasjer.

I tillegg kan industrisektoren ha nytte av integrerte kameraer som kan kobles direkte på produksjonsutstyr for sanntidsobservasjon av prosesser.

Overflater kan bli kamera

For å integrere systemet i ulike enheter må man ta hensyn til signalbehandling og belysning. De flate metastrukturene er følsomme for lysbølger innenfor det synlige spekteret. Dette gir mulighet for fargebilder, men krever at algoritmen er innstilt på å differensiere signalene fra ulike bølgelengder.

På sikt kan slike strukturer tilpasses andre bølgelengder for spesifikke formål. Ved å variere nanosøylenes høyde, bredde og plassering kan forskerne justere responsen på lys, og dermed tilpasse systemet til ulike bruksområder.

Forskningen viser at det er mulig å redusere optiske systemer til en struktur som kan legges direkte på en brikke med fotodetektorer under. Da blir det ikke nødvendig å sette sammen linser og sensorer separat.

Dermed kan man i teorien også benytte store flater - for eksempel skjermen på en mobiltelefon eller brilleglass på en smartbrikke – som en slags kamera bygget opp av millioner av slike nano-kamera.