Kameralar her yerde. İki yüzyıldan fazla bir süredir, bu cihazlar giderek daha popüler hale geldi ve bu kadar kullanışlı olduğu kanıtlandı, modern yaşamın vazgeçilmez bir parçası haline geldi.
Bugün, akıllı telefonlardan ve dizüstü bilgisayarlardan güvenlik ve gözetim sistemlerine, otomobillere, uçaklara ve yukarıdaki en yüksek seviyeden görüntüleme uydularına kadar her şey olan çok çeşitli uygulamalara dahildirler. Ve minyatürleştirici mekanik, optik ve elektronik ürünler devam ettikçe, bilim adamları ve mühendisler bu teknolojiler için daha küçük, daha hafif ve daha enerji tasarruflu kameralar yaratmanın yollarını arıyorlar.
Bugün kameralarda bulunan nispeten hantal lenslere alternatif oldukları için ultra düz optikler bu mühendislik zorluğu için bir çözüm olarak önerilmiştir. Cam veya plastikten yapılmış kavisli bir lens kullanmak yerine, metalensler gibi birçok ultra düz optik, ışığı manipüle etmek için ince, düz bir mikroskobik nanoyapı kullanın, bu da onları geleneksel kamera lenslerinden yüzlerce veya binlerce kez daha küçük ve daha hafif hale getirir.
Ama büyük bir sorun var. “Kromatik sapma” olarak bilinen bir optik bozulma türü, ultra düz optiklerin optik büyük bir açıklığa sahip olduğunda yüksek kaliteli renkli görüntüler üretme yeteneğini sınırlar-lenste kameraya ışığa izin veren açıklık.
Büyük bir diyafram, çoğu kameranın bugün üretebileceğine benzer görüntüler oluşturmak için ışık verimini arttırır. Yıllardır, ultra flat optiklerinin bu temel sınırlaması birçok kişi tarafından geçilmez bir bariyer olarak görülmüştür.
Yani, şimdiye kadar.
Türünün ilk örneğinde, UW ECE’deki araştırmacılar ve Princeton Üniversitesi’ndeki bilgisayar bilimleri departmanı, büyük bir diyafram, ultra flat optik içeren bir kameranın, geleneksel bir kamera mercekiyle yakalanabileceklerle karşılaştırılabilir yüksek kaliteli renkli görüntüler ve video kaydedebileceğini gösterdi. Bu dikkate değer başarı, keskin, tam renkli görüntülemenin tek, büyük belirleyici metalenleri kullanmak imkansız olacağına dair yaygın bir inanca meydan okuyor.
“Büyük diyafram geniş bant nano-optikleri için spektral bant genişliklerini yenmek” makaleleri yayınlandı. Doğa İletişimi.
Araştırma ekibinin geliştirdiği ultra düz optik sadece bir mikron kalınlığında bir metalens. Destekleyici substratına yapıştırıldığında, hala sadece 300 mikron kalınlığındadır – yan yana bırakılmış dört insan kılının genişliği hakkında.
Tamamen, standart bir kırılma lensinden yüzlerce kez daha küçük ve daha incedir. Dolayısıyla, bu metalens geleneksel bir kamera lensinin veya lens yığınının yerini aldığında, hacim, ağırlık ve cihaz pil ömründeki tasarruflar önemli olabilir.
Bu ultra düz optik neredeyse her kameraya uygulanabilir ve özellikle boyut veya ağırlık ile sınırlandırılmış herhangi bir görüntüleme sistemi için yararlı olacaktır.
Akıllı telefon ve dizüstü bilgisayar kameraları, akla gelen bu metinler için ilk uygulamalar arasındadır, ancak hafif görüntüleme sistemlerine ihtiyaç duyan otomobiller, dronlar veya uydular gibi çok çeşitli diğer teknolojilere uygulanabilir. Endoskoplar ve anjiyoskoplar gibi tıbbi aletler bile, bu ultra düz optiklerin sağlayabileceği daha küçük sistemlerden yararlanarak doktorların vücudun içinde daha derin görmelerine izin verebilir.
Bu başarı, makalenin kıdemli yazarları, fizikte ortak bir randevu alan UW ECE profesörü olan Arka Majumdar ile Princeton Üniversitesi’nde bilgisayar bilimi yardımcı doçenti olan Felix Heide arasında uzun süredir devam eden bir işbirliğinin büyümesidir.
Majumdar, Heide ve araştırma ekipleri, son birkaç yıldır optiklerde, bir kamerayı net, net görüntüler yakalarken ve ışık hızında tanımlayabilen bir kamera mühendislik yaparken bir tuz tanesinin büyüklüğüne kadar küçültmek gibi bazı dramatik ilerlemeler üretti. Majumdar’ın laboratuvar ekibi ayrıca akıllı telefon kameraları ve diğer cihazlar için optikleri yeniden canlandırma konusunda güçlü bir geçmişe sahiptir.
Bu son araştırma ilerlemesi, Majumdar ve Heide tarafından denetlenen bir önceki ortak çabadan ortaya çıktı, bu da Heide’nin laboratuvarında bir doktora öğrencisi olan Ethan Tseng tarafından yönetildi.
Makalenin baş yazarları UW ECE Araştırma Asistanı Johannes Fröch ve Chapel Hill’deki Kuzey Carolina Üniversitesi’nde bilgisayar bilimi yardımcı doçenti olan Praneeth Chakravarthula idi. Chakravarthula, bu araştırma gerçekleştiğinde Heide’nin Princeton Üniversitesi’ndeki laboratuvarında doktora sonrası bir bilim adamıydı.
Fröch, “Daha önce, metalens ne kadar büyük olursa, odaklanabilecek renklerin ne kadar az olduğu varsayılmıştır.” Dedi. “Ama bunun ötesine geçtik ve sınırı geçtik.”
Chakravarthula, “Bunu bütünsel bir sistem olarak gördük.” “Bu, görüntüleme sisteminin bu farklı kısımlarını sırayla tasarlamadığımız optik ve hesaplamanın tamamlayıcı güçlerinden yararlanmamıza izin verdi, ancak bunun yerine performansı en üst düzeye çıkarmak için bunları optimize ettik.”
Makalenin diğer ortak yazarları arasında UW ECE alimleri Shane Colburn, Alan Zhan, Forrest Miller, Anna Wirth-Singh ve Zheyi Han ve eski UW EC sonrası araştırmacı Quentin Tanguy ve Jipeng Sun, Heide’nin laboratuvarında doktora öğrencisi vardı.
UW ECE profesörü Karl Böhringer ayrıca makaleyi birlikte yazdı ve Washington Nanofabrication tesisinde ultra düz optik üreten öğrencileri denetleyerek çabaya katkıda bulundu. Böhringer, Majumdar’ın bir öğretim üyesi olduğu Nano mühendislik sistemleri Enstitüsü’nün direktörüdür.
AI ile çalışan hesaplama, yüksek çözünürlüklü görüntüleri sağlar
Çoğu görüntüleme sisteminde, tek bir lens tüm renkleri odaklayamadığı için çoklu kırılma lensleri kullanılır. “Kromatiklik” i belirten bu sorun, ultra düz optiklerde daha da kötüleşir.
Birçok bilim adamı ve mühendis, metalensleri hiperkromatik olarak görür, çünkü tüm ışık belirli bir noktada odaklanamaz. Bu, ultra düz optiklerin daha geniş açıklıklara sahip olma yeteneğini sınırlar ve görünür ışık görüntülemesi açısından yine de başarılı olabilir.
Bu araştırma ilerlemesinden önce, yüksek kaliteli bir görüntü üretebilen büyük açıklıklara sahip metalensler oluşturmak mümkün değildi. Metalenses ile yapılan daha önceki çabalar, bir milimetreden daha az olan kamera diyaframları ile çalışıyordu.
Buna karşılık, kameradaki araştırma ekibinin tasarladığı diyafram, bir santimetre boyutu, önemli ölçüde daha büyüktür. Ekip, optik donanımla birlikte tasarlanmış güçlü bir hesaplamalı arka uçla, daha büyük açıklıkların mümkün olduğunu gösterdi.
Chakravarthula, “İnsanlar bu sorunu ele almak için tamamen fizik tabanlı veya sezgisel, el işi optik tasarımları denediler, ancak çalışmalarımızda bunu hesaplama problemi olarak ele alıyoruz.” Dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Bu lens yapılarının şeklini ve ilgili hesaplamanın ne olması gerektiğini anlamak için AI araçlarını kullandık.”
Ekibin optik sisteminin hesaplamalı arka ucunda, olasılık difüzyon tabanlı bir sinir ağı olan AI’yı dahil etti. Bu AI ile çalışan arka uç, ultra düz optikten alınan verileri alır ve daha düşük pus, daha iyi renk doğruluğu, daha canlı tonlar ve daha iyi gürültü azaltma ile görüntüler çıkarır. Tüm bunlar, geleneksel bir kamera ile yakalanabileceklerinden neredeyse ayırt edilemeyen yüksek kaliteli renkli görüntülerle sonuçlanır.
Fröch, “Daha önce, her zaman sistemin optik tarafındaki problemleri düşünüyordum.” Dedi. “Ama bu proje bana gerçekten tüm sistemi düşünürseniz ve daha sonra her bir parçanın gücünden – optik ve hesaplama arka uçtan – yararlanmaya çalışırsanız, burada gösterdiğimiz bu gerçekten iyi görüntü kalitesini üretmek için sinerjik olarak çalışabilirler.”
Daha keskin görüntüler, yeni modaliteler için çalışmak
Araştırma ekibi için sonraki adımlar arasında ultra düz optikleri tarafından üretilen görüntü kalitesini daha da iyileştirme ve iyileştirme yer alıyor. Ayrıca, geliştirdikleri optik sistem için insan görüşünü arttırmak için yararlı olabilecek farklı yöntemleri keşfetmeyi planlıyorlar. Bu yöntemler, insan gözünün görülebildiği şeyin ötesinde ışıktan bilgi yakalamayı ve bunlarla çalışmayı içerir.
Açıklamak gerekirse, kelebekler gibi birçok hayvan, insanlar için görülebilen ışık spektrumunun çok ötesini görebilir ve polarizasyonu gibi ışığın farklı özelliklerinden yararlı bilgiler kazanabilir – ışık dalgalarının uzaydan geçerken yönlendirilmesi.
Hayvanlar bu bilgileri yiyecek bulmak, yırtıcılardan kaçmak ve eşleri çekmek için kullanırlar. Benzer bir şekilde, insanlar polarizasyon veya spektral bilgiler için multimodal algılama sağlamak için insanların görebildiklerinin ötesinde ışığı kullanabilirler.
Bunun bir örneği, şu anda otonom araçlarda ve akıllı telefonlarda, artırılmış gerçeklik, sanal gerçeklik ve derinlik algısı uygulamalarına yardımcı olmak için kullanılan ışık algılama ve menzil veya LIDAR’dır. Araştırma ekibi, ultra flat optiklerinin bu tür teknolojiler için geçerli olabileceğini öngörmektedir.
Bu ultra flat optikinin ticarileştirilmesi de yakın gelecekte belirgin bir olasılıktır. Mettarlar, optikleri uygun ve ölçeklenebilir hale getiren nanoprint litografisi kullanılarak dökümhanelerde kitlesel üretim için uygundur. Ekip şu anda göz muayeneleri için kullanımı daha kolay olacak küçük, hafif, el cihazları oluşturmakla ilgilenen Oftalmoloji Bölümünde bir UW profesörü ile konuşuyor.
Fröch ayrıca bu teknolojiyi ticarileştirmekle ilgilenebilecek girişimler olduğunu söyledi. Ekibin araştırmasının, optik alanındaki başkaları için keşfetmesi için yeni yollar açabileceğini de belirtti.
Fröch, “Buradaki genel paket, belirli bir sorunu çözmek için algılanan sınırlamalar olsa bile, bunu çözmenin mümkün olmadığı anlamına gelmiyor.” Dedi.
“Çalışmamız, ultra düz optiklerle neler yapılabileceğini gösteriyor. Bence araştırmamız alanı ileriye doğru itiyor ve gelecekte bu tür işlerden çok daha fazlası olacak.”
