Kamera Tajam dan Penuh Warna Seukuran Butiran Garam

Para peneliti di Princeton University (PU) dan University of Washington (UW) berhasil mengatasi hasil gambar kamera mikro sebelumnya yang masih kabur, banyak distorsi dengan bidang pandang terbatas. Sebuah sistem baru yang disebut saraf nano-optik dapat menghasilkan gambar penuh warna yang tajam setara dengan lensa kamera majemuk konvensional.
Para peneliti berhasil mengatasi hambatan dengan menghasilkan kamera ultra kompak seukuran sebutir garam krosok. Sistem baru ini dapat menghasilkan gambar penuh warna yang tajam setara dengan lensa kamera majemuk konvensional yang volumenya 500.000 kali lebih besar.
Pada penelitian yang diterbitkan pada jurnal Nature Communications, dengan desain gabungan perangkat keras kamera dan pemrosesan komputasi dapat digunakan untuk keperluan endoskopi invasif minimal. Dengan begitu luka atau sayatan dapat bisa ditekan sekecil mungkin.
Endoskopi invasif minimal dapat dilakukan dengan robot medis untuk mendiagnosis dan juga mengobati penyakit. Dengan meningkatkan kemampuan pencitraan robot melampaui batasan ukuran dan berat. Susunan ribuan kamera semacam itu dapat digunakan untuk penginderaan adegan penuh mengubah permukaan menjadi gambar.
Saat kamera tradisional menggunakan serangkaian kaca melengkung atau lensa plastik untuk membelokkan sinar cahaya menjadi fokus, sistem optik baru pada kamera ini bergantung pada teknologi yang disebut metasurface, yang dapat diproduksi seperti chip komputer.
Penulis senior studi dan asisten profesor sain komputer sains di Princeton University, Felic Heide, mengungkapkan, lebar kamera hasil penelitian hanya Lebarnya hanya setengah milimeter, permukaan metanya dipenuhi hingga 1,6 juta tiang silinder.
"Setiap tiang silinder berukuran sangat kecil atau sama dengan human immunodeficiency virus (HIV)," ujar Heide seperti dikutip laman PU.
Setiap tiang (post) memiliki geometri yang unik dan berfungsi seperti antena optik. Dengan desain yang bervariasi pada setiap tiang, hal ini akan menciptakan seluruh muka gelombang optik dengan benar. Ditambah dengan bantuan algoritma berbasis pembelajaran mesin (machine learning), gabungan interaksi tiang dengan cahaya menghasilkan gambar berkualitas tinggi, berbidang pandang terluas, dan penuh warna.
Heide menjelaskan, kunci inovasi utama dalam pembuatan kamera itu adalah desain terintegrasi dari permukaan optik dan algoritma pemrosesan sinyal yang menghasilkan gambar.
"Hal ini meningkatkan kinerja kamera dalam kondisi cahaya alami, berbeda dengan kamera metasurface sebelumnya yang masih membutuhkan sinar laser murni atau kondisi ideal lainnya dalam menghasilkan gambar berkualitas," papar Heide.
Lensa metasurface ultra kompak lain telah mengalami distorsi gambar yang cukup besar, bidang pandang kecil, dan kemampuan terbatas untuk menangkap spektrum penuh cahaya tampak disebut sebagai pencitraan RGB. Hal ini karena kamera lain masih menggabungkan warna merah, hijau dan biru untuk menghasilkan warna yang berbeda.
"Merupakan tantangan untuk merancang dan mengkonfigurasi struktur nano kecil ini untuk melakukan apa yang Anda inginkan," kata mahasiswa di Princeton University yang ikut memimpin penelitian Ethan Tseng, Ph.D. "Untuk tugas khusus menangkap gambar RGB bidang pandang besar ini, sebelumnya tidak jelas bagaimana merancang bersama jutaan struktur nano bersama dengan algoritma pasca-pemrosesan," imbuh dia.

Bisa Diproduksi Massal
Penulis utama penelitian tersebut Shane Colburn mengungkapkan, pihaknya membuat simulator komputasi untuk mengotomatiskan pengujian konfigurasi antena nano yang berbeda. Karena jumlah antena dan kerumitan interaksinya dengan cahaya, maka menyita jumlah memori dan waktu yang sangat besar.
Untuk mengatasinya dikembangkan model yang efisien dalam memperkirakan kemampuan produksi gambar metasurface dengan akurasi yang memadai.
Colburn melakukan pekerjaan sebagai PhD mahasiswa di Departemen Teknik Elektro dan Komputer UW, mengarahkan desain sistem di Tunoptix, sebuah perusahaan berbasis di Seattle yang mengkomersialkan teknologi pencitraan metasurface. Tunoptix didirikan oleh penasihat lulusan Colburn, Arka Majumdar, seorang profesor di University of Washington di ECE dan departemen fisika dan rekan penulis studi tersebut.
Rekan penulis James Whitehead, PhD mahasiswa Departemen Teknik Elektro dan Komputer di UW, membuat metasurface, yang didasarkan pada silikon nitrida, bahan seperti kaca yang kompatibel dengan metode manufaktur semikonduktor standar yang digunakan untuk chip komputer.
Ini berarti desain metasurface yang diberikan dapat dengan mudah diproduksi secara massal dengan biaya lebih rendah daripada lensa pada kamera konvensional.
"Meskipun pendekatan untuk desain optik bukanlah hal baru, ini adalah sistem pertama yang menggunakan teknologi optik permukaan di ujung depan dan pemrosesan berbasis saraf di belakang," kata konsultan di Mait-Optik dan mantan senior peneliti dan kepala ilmuwan di US Army Research Laboratory, Joseph Mait, yang tidak terlibat dalam studi.
Heide dan rekan-rekannya sekarang bekerja untuk menambahkan lebih banyak kemampuan komputasi ke kamera itu sendiri. Selain mengoptimalkan kualitas gambar, mereka ingin menambahkan kemampuan untuk deteksi objek dan modalitas penginderaan lain yang relevan untuk kedokteran dan robotika. hay/I-1