ثبت تصاویر واضح از فاصله ۳ سانتی‌متر تا ۱ کیلومتر تنها با یک دوربین!

مجموعه: اخبار تکنولوژی

به گزارش ایسنا و به نقل از فیز، ۵۰۰ میلیون سال قبل، اقیانوس‌های مملو از تریلیون‌ها تریلوبیت (trilobite) بودند. این موجودات اجداد دور خرچنگ‌های نعل اسبی هستند. تریلوبیت‌ها به لطف چشم‌های مرکب، گستره بینایی وسیعی داشتند. گروهی از آن‌ها با نام "Dalmanitina socialis" بسیار دوربین بودند. چشمان دو کانونی آن‌ها که هر کدام روی یک ساقه قرار داشت، متشکل از دو عدسی بود که نور را در زوایای مختلف خم می‌کرد. این ویژگی به آن‌ها امکان مشاهده طعمه‌های شناور در فاصله نزدیک و همچنین فاصله دور تا یک کیلومتر را می‌داد.

محققان مؤسسه ملی فناوری و استانداردها (NIST) با الهام گرفتن از چشمان این موجودات، یک دوربین مینیاتوری با لنز دو کانونی ایجاد کرده‌اند که عمق میدان بی‌نظیری دارد. عمق میدان فاصله‌ای است که در آن دوربین می‌تواند تصاویر واضحی از اجسام ثبت کند. این دوربین می‌تواند به طور همزمان از اجسام نزدیک به فاصله سه سانتی‌متر و دور به فاصله‌ی ۱.۷ کیلومتر عکس بگیرد. آن‌ها یک الگوریتم رایانه‌ای ابداع کرده‌اند تا انحرافات تصویر را تصحیح کند و یک تصویر نهایی تماما واضح ایجاد کند که این عمق میدان عظیم را پوشش دهد.

چنین دوربین‌های سبک وزنی که عمق میدان زیادی دارند و فناوری فتونیک را در مقیاس نانومتری با عکاسی مبتنی بر نرم‌افزار ادغام می‌کنند نویدبخش ایجاد انقلابی در سیستم‌های تصویربرداری وضوح بالا در آینده هستند.

"آمیت آگراوال" (Amit Agrawal)  و "هنری لزک" (Henri Lezec) از موسسه ملی فناوری و استانداردها به همراه همکارانشان از دانشگاه مریلند در کالج پارک و دانشگاه نانجینگ تحقیقات خود را در روز ۱۹ آوریل به صورت آنلاین در مجله‌ی "Nature Communications" منتشر کردند.

محققان مجموعه‌ای از عدسی‌های کوچک به نام متالنز (metalenses) ساختند. آگراوال و همکارانش برای طراحی متالنزهایشان، سطح صاف شیشه را با میلیون‌ها ستون مستطیلی شکل کوچک به صورت عمودی پوشاندند. شکل و جهت نانوستون‌ها، نور را طوری متمرکز می‌کرد که سطح متالنز به طور همزمان به عنوان لنز ماکرو و تله‌فوتو عمل کند. لنز ماکرو برای ثبت تصاویر از فاصله‌ی بسیار نزدیک و لنز تله‌فوتو برای ثبت تصاویر دور مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این نانوستون‌ها بسته به جهت قرار گیری، نور را به مقادیر گوناگونی خم می‌کردند. محققان این ستون‌های مستطیلی را به گونه‌ای چیدند که برخی از نورها باید از بخش طولانی‌تر مستطیل و برخی دیگر از بخش کوتاه‌تر آن عبور کنند. در مسیر طولانی‌تر، نور از مواد بیشتری گذر می‌کند و بنابراین بیشتر خم می‌شود و برای بخش کوتاه‌تر از مواد کمتری عبور کرده و کمتر خم می‌شود.

بنابراین بسته به اینکه نور از قسمت طولانی‌تر یا کوتاه‌تر عبور کند، متالنزها تصاویری از اجسام دور یا نزدیک ایجاد می‌کنند.

با این وجود بدون پردازش بیشتر، اجسام در فواصل متوسط بدون فوکوس باقی می‌مانند. آگراوال و همکارانش از یک شبکه‌ی عصبی که الگوریتمی رایانه‌ای است که از سیستم عصبی انسان تقلید می‌کند، استفاده کردند تا به این نرم‌افزار آموزش دهند نقایصی مانند تاری، انحراف رنگ را در اجسامی که در فاصله‌ای میان فوکوس نزدیک و دور قرار دارند، تشخیص داده و رفع کند. آن‌ها در نهایت دوربین خود را با قرار دادند اجسامی با رنگ، شکل و اندازه مختلف در فواصل متفاوت آزمایش کردند.