Miniaturní kamera se obejde bez čoček

Na malé destičce z nitridu křemičitého (Si₃N₄) je kruhová oblast o průměru pouhých 0,5 mm, která funguje jako miniaturní kamera. Tvoří ji „les“ 1,6 milionu válcovitých výstupků vysokých 705 nm a silných 100 až 290 nm, které fungují jako optické antény. Signál zachycený povrchem se strukturními prvky menšími než vlnová délka dopadajícího světla (tzv. metapovrchem) zpracovává neuronová síť využívající nově navržené dekonvoluční algoritmy. Výsledkem je obraz srovnatelný se snímky z komerčního fotoaparátu s objektivem tvořeným soustavou čoček, jehož objem je 550 000× větší.

Zjednodušený princip optické části nové kamery. Na ploše o průměru 0,5 mm je ve skutečnosti 1,6 milionu různě silných válcovitých výstupků.Snímek Princeton University

Rozmazaný snímek plný barevných vad pořízený starším typem mikrokamery využívající místo čoček metapovrch (nahoře) a snímek téhož objektu pořízený novou technologií kombinující metapovrch s pokročilým zpracováním přijatého signálu pomocí neuronové sítě.
Snímek Princeton University

Taková miniaturní kamera s kvalitním obrazem by našla uplatnění v medicíně (endoskopická vyšetření), v robotice, zájem by jistě projevily i tajné služby. Lze si představit i větší plochu pokrytou soustavou podobných kamer s širokými aplikačními možnostmi. Výroba v průmyslovém měřítku by přitom neměla představovat větší problém. Potřebné nanostruktury lze totiž připravit stejnými litografickými metodami, jaké se používají při výrobě integrovaných obvodů.

Není to první mikrokamera využívající místo soustavy čoček optické vlastnosti metapovrchu. Předchozí řešení ale trpěla řadou nedostatků. Jako zdroj světla vyžadovala pouze laserové paprsky konkrétní vlnové délky, měla malý zorný úhel nebo trpěla výraznou chromatickou aberací a dalšími optickými vadami. Nové řešení, představené týmem odborníků z Princetonu a z Washingtonské univerzity, umí pracovat s celým spektrem viditelného světla (400–700 nm), má zorný úhel 40° a věrné barevné podání s ostrými detaily. Autoři plánují postupně přidávat do zpracování signálu další funkce, například automatické rozpoznávání objektů.

Tseng E. et al.: Nat. Commun., 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-26443-0