Upragniony przełom w miniaturyzacji obiektywów
Przez lata miniaturyzacja obiektywów przypominała walkę z wiatrakami. Im bardziej inżynierowie próbowali zmniejszać tradycyjne soczewki, tym wyraźniej uwidaczniały się ich ograniczenia. Szczególnie płaskie soczewki, choć obiecujące pod względem rozmiarów, miały poważny problem z wiernym oddawaniem kolorów. Aberracja chromatyczna sprawiała, że zdjęcia wyglądały jak z najtańszych aparatów sprzed kilkudziesięciu lat.
Czytaj też: Honda rzuca wyzwanie elektrycznej rewolucji. Nowy silnik V6 połączy moc z ekonomią jakiej nie widzieliśmy
Teraz sytuacja może ulec zmianie za sprawą pracy naukowców z University of Washington i Princeton University. Stworzyli oni metasoczewkę (metalens) o grubości zaledwie jednego mikrona, która wraz z podłożem osiąga rozmiar 300 mikronów, czyli mniej więcej grubość czterech ludzkich włosów ułożonych obok siebie. Najważniejsze jednak, że ich wynalazek potrafi rejestrować ostre, pełnokolorowe zdjęcia i nagrywać wideo, będąc setki razy mniejszym od standardowych obiektywów.
Połączenie optyki z algorytmami. Nowe podejście do projektowania
Kluczem do sukcesu okazało się odejście od tradycyjnego myślenia o projektowaniu soczewek. Zamiast dążyć do stworzenia idealnego elementu optycznego, badacze potraktowali cały system jako nierozerwalną całość. Tak powstał metalens, który współpracuje z probabilistyczną siecią neuronową dyfuzyjną, która z kolei na bieżąco koryguje niedoskonałości obrazu. Johannes Fröch, jeden z autorów badania, przyznaje, że zmiana perspektywy była kluczowa. Wcześniej zawsze patrzył na problem od strony optycznej, próbując udoskonalić same soczewki. Dopiero gdy zespół zaczął traktować optykę i algorytmy jako jedną całość, udało się przełamać tę barierę.
Proces optymalizacji przebiega dwuetapowo. Metalens najpierw maksymalizuje intensywność ogniskową dla szerokiego zakresu długości fal światła widzialnego od 450 do 650 nanometrów, co zapewnia rozszerzoną głębię ostrości. Następnie cała struktura jest współoptymalizowana z modelem uczenia maszynowego, który z kolei uczy się, jak najlepiej wykorzystać dane z sensora.
Apertura o średnicy centymetra. Skok jakości w miniaturowej optyce
Różnica w skali jest naprawdę znacząca. Podczas gdy wcześniejsze metalensy pracowały z aperturami poniżej jednego milimetra średnicy, nowy system ma aperturę o średnicy całego centymetra. W świecie ultra-płaskiej optyki to ogromny postęp. Większa apertura oznacza więcej światła docierającego do sensora, co bezpośrednio przekłada się na lepszą jakość obrazu, szczególnie w trudnych warunkach oświetleniowych.
Czytaj też: Metale, które nie zachowują się jak metale. Niemożliwe stało się faktem w laboratorium w Teksasie
Co ciekawe, metalens radzi sobie lepiej niż tradycyjne soczewki przy większych kątach widzenia przekraczających 10 stopni. System potrafi również nagrywać wideo w czasie rzeczywistym, osiągając do 19 klatek na sekundę przy rozdzielczości 5 megapikseli. Choć te parametry nie robią wrażenia w porównaniu z dzisiejszymi smartfonami, to trzeba pamiętać, że mówimy o technologii, która jeszcze niedawno uważana była za fizycznie niemożliwą do zrealizowania.
Od medycyny do smartfonów. Praktyczne zastosowania maleńkich kamer
Zespół stworzył hybrydowy system optyczny łączący soczewkę refrakcyjną, meta-optykę i sieć neuronową, który jest ponad 100 razy mniejszy niż komercyjne odpowiedniki przy aperturze 10 razy większej. Takie miniaturowe kamery mogą zrewolucjonizować medycynę, czyniąc endoskopy i angioskopy znacznie mniej inwazyjnymi. Felix Heide z Princeton University idzie jeszcze dalej, wyobrażając sobie przyszłość, w której całe powierzchnie stają się kamerami. Właśnie tak – dzięki tej technologii cały tył smartfona mógłby być jednym wielkim “czujnikiem obrazu”, co zakończyłoby wieloletnie już szpecenie telefonów charakterystycznymi garbami. Narzekają na nie nie tylko użytkownicy, ale też producenci, którzy muszą projektować obudowy uwzględniające ten wystający element, co generuje ogromne koszty.
Inny projekt tego samego zespołu pokazuje jeszcze bardziej radykalne podejście. Zamiast robić zdjęcie i później analizować je algorytmami, stworzyli kamerę wykonującą obliczenia optycznie. System wykorzystuje 50 warstw meta-soczewek działających jak optyczna sieć neuronowa. Klasyfikuje obrazy ponad 200 razy szybciej niż konwencjonalny sprzęt komputerowy przy porównywalnej dokładności. Takie rozwiązanie ma szczególne znaczenie w kontekście samochodów autonomicznych czy dronów, gdzie każda milisekunda opóźnienia może mieć kluczowe znaczenie. Gdy większość obliczeń odbywa się z prędkością światła, system reaguje niemal natychmiast.
Czytaj też: Polska myśl techniczna w magazynach. Nasi rodacy rozwiązali największy problem robotyki
Wszystkie te metalensy są wytwarzane z azotku krzemu na podłożu kwarcowym, czyli materiałów kompatybilnych ze standardowymi metodami produkcji półprzewodników. Oznacza to, że technologia nadaje się do masowej produkcji metodą litografii. Nie jest to więc tylko laboratoryjny eksperyment, ale rozwiązanie, które może realnie trafić do produkcji. Pytanie nie brzmi już “czy w ogóle”, ale “kiedy” płaskie soczewki zastąpią tradycyjne w naszych urządzeniach. Patrząc na tempo postępu, może to nastąpić szybciej, niż się spodziewamy.