La tecnologia che viene implementata sulle fotocamere si è visibilmente ridotta, e soprattutto dall’arrivo degli smartphone nel mondo, si stanno raggiungendo livelli mai visti.
Nonostante sia letteralmente grande come un granello di sale,la nuova microcamera sviluppata dai ricercatori dell’Università di Princeton è in grado di catturare foto con una risoluzione nitida e colori che sono paragonabili a quelle scattate da fotocamere di migliaia di volte più grande.
Il dispositivo estremamente piccolo fa questo grazie a 1,6 milioni di “occhi” interni, ciascuno delle dimensioni più o meno di una cellula. Queste coprono parte della fotocamera lungo quella che i ricercatori chiamano la sua “metasuperficie“.
Le possibili applicazioni ovvie di questa super micro fotocamera includono l’imaging medico attraverso sonde nel corpo, l’esplorazione microscopica, la micro-robotica e possibilmente nuove fotocamere di consumo ultracompatte.
Le microcamere esistono da un po’ di tempo, ma raramente hanno avuto una buona qualità delle immagini. È stata spesso indebolita dai limiti di base nella fisica degli obiettivi ultra-piccoli che catturano la luce in modo sufficientemente efficace per immagini nitide.
Ad esempio, le normali fotocamere normalmente dipendono da matrici di obiettivi che mettono a fuoco la luce e questi obiettivi devono essere di una certa dimensione, così come il dispositivo che li circonda.
Per aggirare questo problema per le tecnologie delle fotocamere veramente miniaturizzate, è stato necessario un altro metodo. Ciò ha comportato la “meta-ottica”, in cui vengono realizzate nanostrutture ultra-piccole per coprire una metasuperficie.
Ognuna di queste minuscole strutture cattura e riemette fotoni di luce e li trasforma in un segnale del computer che può essere ricostruito come un’immagine.
Le metasuperfici funzionano come i sensori delle normali fotocamere mirrorless e DSLR, ma su una scala molto più piccola per nodo di nanostruttura rispetto ai pixel di una fotocamera media a grandezza naturale, e ovviamente senza un obiettivo davanti a loro .
Nel caso di questa nuova microcamera, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo tipo unico di materiale in fogli con uno spessore inferiore alla lunghezza d’onda e sulla sua superficie larga 0,5 mm hanno posizionato 1,6 milioni di queste nanostrutture, che chiamano post fotosensibili.
I singoli post della nanostruttura assorbono quindi i fotoni in arrivo e la metasuperficie sottostante traduce i fotoni che arrivano a tutti gli 1,6 milioni di essi in una gamma di segnali che un computer può ricostruire in immagini complete.
Le foto risultanti misurano fino a 720 x 720 pixel e vengono catturate a colori tra le lunghezze d’onda di 400 e 700 nm della luce naturale. Le immagini hanno anche un campo visivo di 40 gradi e un numero f di 2. In altre parole, queste foto sono alla pari di quelle catturate da un obiettivo della fotocamera convenzionale 500.000 più grande di questo micro-dispositivo.
La chiave per una fotografia efficace in tutto quanto sopra è che i ricercatori utilizzano nuovi algoritmi di apprendimento automatico per interpretare i segnali ottici ai pali della nanostruttura in modo che ricostruiscano davvero immagini decenti. Prima di questi nuovi sviluppi, le microcamere di solito non hanno mai avuto grandi risultati.
La nuova fotocamera dei ricercatori di Princeton fa molto meglio, come dimostrano le immagini di confronto qui sotto.
Uno dei ricercatori coinvolti, Ph.D. lo studente Ethan Tsen ha spiegato : “è impegnativo perché ci sono milioni di queste piccole microstrutture e non è chiaro come progettarle in modo ottimale”
L’autore senior di questo progetto di ricerca, Felix Heide, ha anche affermato che lui ed i suoi colleghi stanno ora sviluppando migliori capacità di calcolo per la fotocamera in modo che non solo produca immagini di migliore qualità, ma sviluppi anche il rilevamento degli oggetti.
Potenzialmente, con uno sviluppo sufficiente, la nuova ottica della metasuperficie di questa ultima microcamera potrebbe essere applicata a quasi tutte le superfici per darle capacità di registrazione fotografica. Questo di per sé è un’idea terrificante.
Tutti i dettagli su come i ricercatori hanno sviluppato la fotocamera e le sue microsuperfici sono stati pubblicati sulla rivista Nature.
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