تطوير كاميرا مجهرية بحجم حبة الملح بـقدرات مذهلة

يمكن لكاميرا مجهرية جديدة التقاط صور نقية كاملة الألوان على الرغم من كونها بحجم حبة الملح -على قدم المساواة مع العدسات العادية التي يزيد حجمها عنها بـ 500 ألف مرة.

جدير بالذكر أن الجهاز البصري فائق الصغر طُوّرمن قبل فريق من الباحثين من جامعة برينستون وجامعة واشنطن.

ويُقال إنه يتغلب على مشاكل التصميمات السابقة للكاميرا صغيرة الحجم، والتي تميل إلى التقاط صور مشوهة وغامضة مع مجالات رؤية محدودة للغاية.

ويمكن للكاميرا الجديدة أن تسمح للروبوتات فائقة الصغر باستشعار محيطها، أو حتى مساعدة الأطباء على رؤية المشاكل داخل جسم الإنسان.

وتجدر الإشارة إلى أنه داخل الكاميرا التقليدية بالحجم الكامل، تُستخدم سلسلة من الزجاج المنحني أو العدسات البلاستيكية لثني أشعة الضوء الواردة في البؤرة في قطعة من جهاز استشعار رقمي.

وفي المقابل، تعتمد الكاميرا الصغيرة التي طورها عالم الكمبيوتر، إيثان تسينغ، وزملاؤه على "سطح خارق" خاص مرصع بـ 1.6 مليون عمود أسطواني كل منها بحجم فيروس واحد لفيروس نقص المناعة البشرية يمكنها تعديل سلوك الضوء. وكل دعامة على السطح الذي يبلغ عرضه 0.5 ملليمتر، لها شكل فريد يسمح لها بالعمل مثل الهوائي.

ثم تقوم خوارزميات التعلم الآلي بتفسير تفاعل كل منشور مع الضوء وتحويله إلى صورة.

وتقدم الصور التي يلتقطها الجهاز الصغير أعلى جودة للصور مع أوسع مجال رؤية لأي كاميرا كاملة الألوان تم تطويرها حتى الآن.

وتميل التصميمات السابقة إلى حدوث تشوهات كبيرة في الصورة، ومجالات رؤية مقيدة ومشاكل في التقاط الطيف الكامل للضوء المرئي المعروف باسم تصوير "RGB"، لأنه يعتمد على خلط الألوان الأساسية من الأحمر والأخضر والأزرق لعمل أخرى.

وبصرف النظر عن القليل من الضبابية بالقرب من حواف الإطار، فإن الصور التي يمكن للكاميرا الصغيرة التقاطها، يمكن مقارنتها بتلك التي التُقطت باستخدام إعداد كاميرا عادي بالحجم الكامل يضم سلسلة من ست عدسات انكسارية.

ويمكن أن تعمل الكاميرا أيضا بشكل جيد في الضوء الطبيعي، بدلا من ضوء الليزر النقي أو غيره من الظروف المثالية للغاية التي تتطلبها الكاميرات ذات الأسطح الفوقية السابقة إذا كانت ستنتج صورا عالية الجودة.

وبحسب ما قاله تسينغ، الذي يعمل في جامعة برينستون في نيوجيرسي:
كان تصميم وتكوين هذه الهياكل الدقيقة الصغيرة تحديا للقيام بما تريده.
وبالنسبة لهذه المهمة المحددة المتمثلة في التقاط صور RGB ذات مجال رؤية كبير، فإن الأمر يمثل تحديا نظرا لوجود الملايين من هذه الهياكل الدقيقة الصغيرة [على السطح الرئيسي]، وليس من الواضح كيفية تصميمها بالطريقة المثلى".

وللتغلب على هذا، أنشأ خبير البصريات بجامعة واشنطن، شين كولبورن، نموذجا رقميا يمكنه محاكاة تصميمات الأسطح الخارقة ومخرجاتها الفوتوغرافية، ما يسمح للباحثين بتقييم وصقل التكوينات المختلفة.

ووفقا للبروفيسور كولبورن، فإن العدد الهائل من الهوائيات على كل سطح وتعقيد تفاعلاتها مع الضوء يعني أن كل محاكاة تستخدم "كميات هائلة من الذاكرة والوقت".

وقال المهندس البصري، جوزيف مايت، الذي لم يشارك في الدراسة: "على الرغم من أن أسلوب التصميم البصري ليس جديدا، إلا أن هذا هو أول نظام يستخدم تقنية بصرية سطحية في الواجهة الأمامية والمعالجة العصبية في الخلف".

ويعمل الفريق الآن على إضافة قدرات حسابية إلى الكاميرا - لزيادة تحسين جودة الصورة، ولكن أيضا لدمج أشياء مثل اكتشاف الكائنات، والتي ستكون مفيدة للتطبيقات العملية.

وجدير بالذكر أن النتائج الكاملة للدراسة أنةنُشرت في مجلة Nature Communications.