Прошлым летом «Компьютерра» писала об интересной разработке Bell Laboratories — безлинзовой камере. Один или несколько однопиксельных светочувствительных элементов размещаются позади жидкокристаллической панели, которая работает как массив диафрагм и регулирует пропускание света. Их применение позволяет устранить избыточность снимка и сделать фотографию с бесконечной глубиной резкости, а то и построить новый вариант лидара. Этой весной в компании Rambus был создан ещё более впечатляющий вариант с размерами всего 200 мкм по длинной стороне. Такая камера может быть встроена куда угодно.

Безлинзовая камера Rambus на фоне пяти евроцентов для сравнения размеров (фото: Rachel Metz / MIT).
Безлинзовая камера Rambus на фоне пяти евроцентов для сравнения размеров (фото: Rachel Metz / MIT).

Современные цифровые камеры обеспечивают исключительно детальное изображение, но такое высокое качество требуется не всегда. Порой куда важнее габариты и потребляемая мощность. Вместе эти параметры определяют возможность встраивания и время автономной работы.

Основным ограничивающим фактором здесь остаётся оптика объектива. Её нельзя уменьшать без резкого ухудшения качества снимков и возможностей камеры.

Миниатюризации линз работает только до определённого момента. Чем меньше становятся размеры объектива, тем больше искажений и лимитов приходится учитывать. Нельзя изменять фокусное расстояние, становится труднее точно передать на снимке геометрию криволинейных поверхностей, усиливаются потери света и аберрации.

Руководитель исследовательской группы Патрик Гилл (Patrick Gill) занимает должность старшего научного сотрудника отдела лицензирования технологий компании Rambus. Он считает, что один из способов решения проблемы создания сверхминиатюрных камер заключается в полном отказе от изогнутых линз объектива.

Слева направо: безлинзовая камера Rambus, модуль pinhole камеры и десять евроцентов (фото: chip.de).
Слева направо: безлинзовая камера Rambus, модуль pinhole-камеры и десять евроцентов (фото: chip.de).

«Наша цель состоит в том, чтобы добавить “глаза” любому цифровому устройству, независимо от того, насколько оно мало», — поясняет Гилл. Он утверждает, что для создания камер нового поколения задачу формирования изображения следует полностью переосмыслить.

Реклама на Компьютерре

В конечном счёте её будет выполнять сам микроскопический светочувствительный датчик. У созданного Гиллом прототипа он имеет спиралевидную форму, а продвинутый алгоритм обработки сигнала восстанавливает данные изображения просто по характеру изменения света.

Принцип работы безлинзовой камеры Rambus. Спиралевидная дифракционная маска (а), исходное изображение (b), отклик на сенсоре (с), предварительное (e) и восстановленное (d) изображение (иллюстрация: spie.org).
Принцип работы безлинзовой камеры Rambus. Спиралевидная дифракционная маска (а), исходное изображение (b), отклик на сенсоре (с), предварительное (e) и восстановленное (d) изображение (иллюстрация: spie.org).

«Сейчас дело даже не в том, чтобы сделать камеры высокого разрешения нового типа, — пишет Гилл. — Важно создать самый маленький, самый дешёвый, самый простой в изготовлении оптический датчик, который все ещё сможет получать достаточно информации и показывать происходящее вокруг».

Исследователь из MIT Гордон Вейцштейн (Gordon Wetzstein) отмечает, что, хотя сама технология и выглядит перспективно, пока ещё не ясно, какой именно будет серийно выпускаемая модель безлинзовой камеры и насколько хороша она окажется.

«Гилл показал мне двадцать восемь прототипов с разными дифракционными структурами: спирали, перекрестия, пятиугольники, — говорит Верцштейн. — Крошечный сегмент чипа в виде спирали успешно захватывал тестовые изображения. Среди них были репродукции картин «Мона Лиза» Леонардо да Винчи и «Купальщицы» Жоржа Сера, фото Джона Леннона». Все снимки получились нечётким, хотя и узнаваемыми. Для прототипа с разрешением 128×128 пикселей это хороший результат.

Тестирование безлинзовой камеры Rambus (изображение: image-sensors-world.blogspot.com).
Тестирование безлинзовой камеры Rambus (изображение: image-sensors-world.blogspot.com).

В обычной цифровой камере сенсор состоит из миллионов светочувствительных элементов, которые вместе фиксируют текущие значение яркости фрагментов изображения.

Безлинзовая камера Rambus работает совершенно иначе. Свет проходит через дифракционную решётку спиралевидной формы. Он отклоняется каждый раз специфическим образом и вызывает серию сигналов на светочувствительном элементе размером с остриё иглы.

Сравнение методов получения изображения в традиционной и безлинзовой камере (иллюстрация: rambus.com)
Сравнение методов получения изображения в традиционной и безлинзовой камере (иллюстрация: rambus.com).

Полученный набор импульсов описывает, как объекты перед камерой влияют на характер распространения света. Изображение этих предметов восстанавливается как сумма этих отклонений от идеального варианта, в котором перед камерой находится только перпендикулярно расположенный и равномерно освещённый лист белой бумаги.

Крошечные камеры Rambus могут быть легко интегрированы в самые разные вещи — от игрушек и носимых гаджетов до систем безопасности любого уровня. При серийном производстве их добавление практически не изменит конечной стоимости устройств.