الباحثون يقلصون الكاميرا إلى حجم حبة الملح – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Researchers shrink camera to the size of a salt grain
 (Molly Sharlach – بقلم: مولي شارلاخ)

ملخص المقالة:

تتمتع الكاميرات الصغيرة الحجم بإمكانات كبيرة لاكتشاف المشاكل في جسم الإنسان وتمكين استشعار الروبوتات فائقة الصغر، وفي السابق كانت صورها الملتقطة غامضة ومشوهة مع مجالات رؤية محدودة. وقد تغلب باحثون في جامعة برينستون وجامعة واشنطن على هذه العقبات باستخدام كاميرا صغيرة للغاية بحجم حبة ملح خشنة. وأفادوا أن النظام الجديد يمكن أن ينتج صورا واضحة بالألوان الكاملة على قدم المساواة مع عدسة كاميرا مركبة تقليدية أكبر من 500000 مرة في الحجم. ويمكن للنظام، الذي تم تمكينه من خلال تصميم مشترك لأجهزة الكاميرا ومعالجتها الحاسوبية، تمكين التنظير الداخلي بأقل تدخل جراحي باستخدام الروبوتات الطبية لتشخيص الأمراض وعلاجها، ولتحسين التصوير للروبوتات الأخرى بقيود الحجم والوزن.

( المقالة )

تتمتع الكاميرات الصغيرة الحجم بإمكانات كبيرة لاكتشاف المشاكل في جسم الإنسان وتمكين استشعار الروبوتات فائقة الصغر، ولكن النُّهُج السابقة التقطت صورا غامضة ومشوهة مع مجالات رؤية محدودة.

والآن، تغلب باحثون في جامعة برينستون وجامعة واشنطن على هذه العقبات باستخدام كاميرا صغيرة للغاية بحجم حبة ملح خشنة. وأفاد الباحثون في ورقة بحثية نشرت في 29 نوفمبر 2021 في نشرة ‘”اتصالات الطبيعة” (Nature Communications) أن النظام الجديد يمكن أن ينتج صورا واضحة بالألوان الكاملة على قدم المساواة مع عدسة كاميرا مركبة تقليدية أكبر من 500000 مرة في الحجم.

ويمكن للنظام، الذي تم تمكينه من خلال تصميم مشترك لأجهزة الكاميرا ومعالجتها الحاسوبية، تمكين التنظير الداخلي بأقل تدخل جراحي باستخدام الروبوتات الطبية لتشخيص الأمراض وعلاجها، ولتحسين التصوير للروبوتات الأخرى بقيود الحجم والوزن. ويمكن استخدام مصفوفات بالآلاف من هذه الكاميرات لاستشعار المشهد الكامل، وتحويل الأسطح إلى كاميرات.

وفي حين أن الكاميرا التقليدية تستخدم سلسلة من الزجاج المنحني أو العدسات البلاستيكية لثني أشعة الضوء في التركيز البؤري، فإن النظام البصري الجديد يعتمد على تقنية تسمى السطح الفوقي، والتي يمكن إنتاجها مثل شريحة الكمبيوتر إلى حد كبير. ويبلغ عرض السطح الفوقي نصف ملليمتر فقط، مرصع بـ 1.6 مليون عمود أسطواني، كل منها تقريبا بحجم فيروس نقص المناعة البشرية (HIV).

ويحتوي كل عمود على هندسة فريدة، وتعمل مثل الهوائي البصري. ومن الضروري تغيير تصميم كل عمود لتشكيل واجهة الموجة البصرية بأكملها بشكل صحيح. وبمساعدة الخوارزميات القائمة على التعلم الآلي، تتحد تفاعلات الأعمدة مع الضوء لإنتاج الصور الأعلى جودةً، ومجال الرؤية الأوسع لكاميرا سطحية بالألوان الكاملة تم تطويرها حتى الآن.

وكان الابتكار الرئيسي في خلق الكاميرا هو التصميم التكاملي للسطح البصري وخوارزميات معالجة الإشارات التي تنتج الصورة. وقال فيليكس هايد، كبير مؤلفي الدراسة البحثية وأستاذ مساعد في علوم الكمبيوتر في جامعة برينستون، إن هذا عزز أداء الكاميرا في ظروف الضوء الطبيعي، على النقيض من كاميرات السطح الفوقية السابقة التي تتطلب ضوء الليزر النقي كذلك الذي في المختبر، أو غيرها من الظروف المثالية لإنتاج صور عالية الجودة.

وقارن الباحثون الصور المنتجة من قبل نظامهم بنتائج كاميرات السطح الفوقية السابقة، بالإضافة إلى الصور التي التقطها بصري مركب تقليدي يستخدم سلسلة من ست عدسات انكسارية. وبصرف النظر عن القليل من الضبابية عند حواف الإطار، كانت صور الكاميرا بحجم النانو مماثلة لصور إعداد العدسة التقليدي، الذي يزيد حجمه عن 500000 مرة.

وعانت عدسات السطح الفوقية الصغيرة الحجم الأخرى من تشوهات كبيرة للصور ومجالات رؤية صغيرة وقدرة محدودة على التقاط الطيف الكامل للضوء المرئي – يشار إليه باسم تصوير “آر جي بي” (RGB) [١] لأنه يجمع بين الأحمر والأخضر والأزرق لإنتاج ألوان مختلفة.

وقال إيثان تسنغ، طالب دكتوراه علوم الكمبيوتر في جامعة برينستون الذي شارك في قيادة الدراسة البحثية: “لقد كان من الصعب تصميم وتكوين هذه الهياكل المجهرية الصغيرة لعمل ما تريده أنت”. وأضاف: “لهذه المهمة المحددة المتمثلة في التقاط صور ‘آر جي بي’ كبيرة في مجال الرؤية، فهي صعبة لأن هناك الملايين من هذه الهياكل المجهرية الصغيرة، وكيف تصممها بالطريقة المثلى ليس واضحًا”.

وتصدى المؤلف الرئيسي المشارك شين كولبورن لهذا التحدي من خلال إنشاء جهاز محاكاة حاسوبية لأتمتة اختبار تكوينات الهوائي النانوية المختلفة. وقال إنه بسبب عدد الهوائيات وتعقيد تفاعلاتها مع الضوء، يمكن لهذا النوع من المحاكاة استخدام “كميات هائلة من الذاكرة والوقت”. وقد طور نموذجا لتقريب قدرات إنتاج الصور في الأسطح الفوقية بكفاءة بدقة كافية.

وكولبورن، الذي أجرى العمل كطالب دكتوراه في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر بجامعة واشنطن، يعمل الآن أستاذا مساعدا منتسبا. كما يدير تصميم النظام في “تونوپيكس” (Tunoptix)، وهي شركة مقرها مدينة سياتل، وتقوم بتسويق تقنيات التصوير فوق السطحي. وقد شارك في تأسيس شركة تونوپتكس مشرفة كولبورن للدراسات العليا أركا ماجومدار، وهي أستاذة مشاركة في جامعة واشنطن في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر، ومؤلفة مشاركة للدراسة البحثية.

وقام المؤلف المشارك جيمس وايتهيد، طالب الدكتوراه في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة واشنطن، بتصنيع الأسطح الفوقية، التي تعتمد على نيتريد السيليكون، وهي مادة تشبه الزجاج متوافقة مع طرق تصنيع أشباه الموصلات القياسية المستخدمة في رقائق الكمبيوتر – مما يعني أنه يمكن إنتاج تصميم سطحي معين بكميات كبيرة بسهولة وبتكلفة أقل من العدسات الموجودة في الكاميرات التقليدية.

وقال جوزيف ميت، المستشار في ميت أوبتيك (Mait-Optik) وكبير الباحثين السابقين وكبير العلماء بمختبر أبحاث الجيش في الولايات المتحدة: “على الرغم من أن نهج التصميم البصري ليس جديدا، إلا أن هذا هو النظام الأول الذي يستخدم تقنية بصرية سطحية في الواجهة الأمامية والمعالجة العصبية في الخلف”.

وأضاف ميت، الذي لم يشارك في الدراسة: “إن أهمية العمل المنشور هي إكمال المهمة الشاقة (الهرقلية) المتمثلة في التصميم المشترك لحجم وشكل وموقع مليون ميزة في السطح الفوقي ومعامل معالجة ما بعد الكشف لتحقيق أداء التصوير المطلوب”.

ويعمل هايد وزملاؤه الآن على إضافة المزيد من القدرات الحاسوبية إلى الكاميرا نفسها. فبالإضافة إلى تحسين جودة الصورة، يرغبون في إضافة قدرات للكشف عن الأشياء وطرائق الاستشعار الأخرى ذات الصلة بالطب والروبوتات.

ويتصور هايد أيضا استخدام أجهزة تصوير فائقة الصغر لإنشاء “أسطح كمستشعرات”. وقال: “يمكننا تحويل الأسطح الفردية إلى كاميرات ذات دقة فائقة، لذلك لن تحتاج إلى ثلاث كاميرات على الجزء الخلفي من هاتفك بعد الآن، ولكن الجزء الخلفي بأكمله من هاتفك سيصبح كاميرا عملاقة واحدة. يمكننا التفكير بطرق مختلفة تماما لبناء الأجهزة في المستقبل”.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://phys.org/news/2021-11-camera-size-salt-grain.html

لمزيد من المعلومات: ايثان تسينغ وآخرون، Neural nano-optics for high-quality thin lens imaging, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-26443-0

الهوامش:

[١] نموذج ألون “آر جي بي” (RGB) هو نموذج إضافة ألوان، تتم فيه إضافة الألوان الأساسية للضوء الأحمر والأخضر والأزرق معا بطرق مختلفة لإعادة إنتاج مجموعة واسعة من الألوان. ويأتي اسم النموذج من الأحرف الأولى من الألوان الأساسية الثلاثة المضافة، الأحمر والأخضر والأزرق. الغرض الرئيسي من نموذج ألوان “آر جي بي” هو استشعار الصور وتمثيلها وعرضها في الأنظمة الإلكترونية، مثل أجهزة التلفزيون وأجهزة الكمبيوتر، على الرغم من أنه تم استخدامه أيضا في التصوير الفوتوغرافي التقليدي. قبل العصر الإلكتروني، كان لنموذج ألوان “آر جي بي” بالفعل نظرية رصينة وراءه، تستند إلى الإدراك البشري للألوان. “آر جي بي” هو نموذج ألوان يعتمد على الجهاز: تكتشف الأجهزة المختلفة أو تعيد إنتاج قيمة “آر جي بي” معينة بشكل مختلف، لأن عناصر اللون (مثل الفوسفور أو الأصباغ) واستجابتها للمستويات الحمراء والخضراء والزرقاء الفردية تختلف من مصنع إلى آخر، أو حتى في نفس الجهاز بمرور الوقت. وبالتالي فإن قيمة “آر جي بي” لا تحدد نفس اللون عبر الأجهزة دون نوع من إدارة الألوان.