Científicos e ingenieros intentan constantemente desarrollar cámaras cada vez más pequeñas, pero los retos tecnológicos no son menores. Ahora, un equipo internacional de investigadores ha logrado crear una cámara del tamaño de un grano de sal. El trabajo fue publicado en Nature Communications.
Las cámaras de tamaño micro tienen un gran potencial para detectar problemas en el cuerpo humano. Sin embargo, los enfoques anteriores capturaban imágenes borrosas y distorsionadas con campos de visión limitados.
Ahora, científicos de la Universidad de Princeton y la Universidad de Washington han superado estos obstáculos con una cámara ultracompacta. El nuevo sistema puede producir imágenes nítidas a todo color igual que una lente de cámara compuesta convencional 500.000 veces más grande en volumen.
El sistema podría permitir una endoscopia mínimamente invasiva con robots médicos para diagnosticar y tratar enfermedades. Además, la innovación mejoraría la obtención de imágenes para otros robots con limitaciones de tamaño y peso.
La nueva tecnología
La innovación, basada en hardware y procesamiento computacional, permite incluso llegar más lejos. Se podrían utilizar matrices de miles de cámaras de este tipo para la detección de escenas completas, convirtiendo superficies enteras en cámaras.
Una cámara tradicional usa una serie de lentes de vidrio o plástico curvados para enfocar los rayos de luz. Por otro lado, el nuevo sistema se basa en una tecnología llamada metasuperficie, que se produce de manera muy similar a un chip de computadora. Con solo medio milímetro de ancho, la metasuperficie está tachonada con 1,6 millones de postes cilíndricos.
Cada poste tiene una geometría única y funciona como una antena óptica. Es necesario variar el diseño de cada poste para dar forma correctamente a todo el frente de onda óptica. Con la ayuda de algoritmos basados en aprendizaje automático, las interacciones de las publicaciones con la luz se combinan para producir imágenes de alta calidad con un amplio campo de visión.
Una innovación clave fue el diseño integrado de la superficie óptica y los algoritmos de procesamiento de señales que producen la imagen. Esto impulsó el rendimiento de la cámara en condiciones de luz natural. Anteriormente, las cámaras de metasuperficie requerían la luz láser pura de un laboratorio u otras condiciones ideales para producir imágenes de alta calidad.
Algoritmos
Otras lentes de metasuperficie ultracompactas han sufrido importantes distorsiones de imagen. El coautor principal, Shane Colburn, abordó este desafío creando un simulador computacional para automatizar las pruebas de diferentes configuraciones de nano antenas.
Debido a la cantidad de antenas y la complejidad de sus interacciones con la luz, este tipo de simulación puede usar mucha memoria y tiempo. Por eso, Colburn desarrolló un modelo para aproximar de manera eficiente las capacidades de producción de imágenes de las metasuperficies con suficiente precisión.
Comparación entre las cámaras previas y la nueva microcámara ultracompacta / Princeton University – University of Washington.
Los investigadores continúan trabajando para agregar más capacidades computacionales a la propia cámara. Más allá de optimizar la calidad de la imagen, les gustaría agregar la detección de objetos y otras modalidades relevantes para la medicina y robótica.
El equipo fabricó las metasuperficies basándose en nitruro de silicio, un material similar al vidrio, que es compatible con los métodos de fabricación de semiconductores estándar utilizados para chips de computadora. Esto significa que un diseño de metasuperficie dado podría producirse fácilmente en masa a un costo menor que las lentes de las cámaras convencionales.
