Mühendislik ve Teknoloji

Dünya’nın En Küçük Kamerasıyla Tanışın!

Gülümseyin! Araştırmacılar, inanılmaz netlikte fotoğraflar çeken küçük bir kamera geliştirdiler. Sadece elinizdeyken hapşırmayın ya da öksürmeyin. İri bir tuz tanesi büyüklüğünde olduğundan, onu bir daha bulamayabilirsiniz.

Daha küçük kameralar, daha hafif akıllı telefonlar gibi icatlar yeni James Bond tarzı araçlar anlamına gelebilir. Ama hepsi bu da değil. Bu ölçekteki kameralar vücudunuzda yüzebilir. Bir böceği görüntüleyebilir, beyninizi inceleyebilir veya düşmanca ortamları izleyebilir. Ve bunlar mümkün olasılıklardan sadece birkaçı olarak görülmekte. Peki, bu kadar çok fotoğraf çekme gücünü mikro büyüklüğünde bir şeye nasıl sığdırırsınız?

New Jersey’deki Princeton Üniversitesi’nde bilgisayar bilimci ve kamerayı Seattle’daki Washington Üniversitesi’nden meslektaşlarıyla birlikte geliştiren Felix Heide, bir kamera merceği yapmanın “radikal olarak farklı bir yaklaşım” gerektirdiğini söylüyor. Ekip, çalışmalarını Kasım ayında Nature Communications’da paylaştı.

Genel Olarak Kameraların Yapısı

Kameraların iki ana parçası vardır: bir lens ve bir sensör. Lens, gelen ışığı görüntünün kaydedildiği sensöre doğru büker. Son birkaç on yılda, sensörler küçüldükçe küçüldü. Ancak lensler başka bir hikâye olarak kaldı. Heide, “Lensler hiç minyatürleştirilmedi” diyor. Çoğu bugün, 1800’lerde olduğundan biraz farklı tasarlanmıştır. Lensler geleneksel olarak kavisli cam veya plastik parçalarının istiflenmesiyle yapılmaktadır. Kavisli bir yüzey, içinden geçen ışığı büker. Işığın nasıl büküldüğü eğriliğe bağlıdır. Bir lens tek bir cam parçası olabilmektedir. Ancak ışığı daha fazla şekilde bükmek için birkaçını bir araya getirebilirsiniz. Heide’nin ekibi tamamen farklı bir yaklaşım benimsedi. Bir meta yüzeyden lens yaptılar.

Meta Malzemeler ve Meta Yüzeyler

Bu yüzeyler süper ince, insan yapımı malzemelerdir. Yapılar o kadar küçüktür ki, bir metrenin milyarda biri (nanometre) olarak ölçülürler. İşte buna benzer özellikte; ancak biraz daha kalın malzemelere meta malzemeler denir.

Kuzey Karolina’daki Duke Üniversitesi’nde elektrik mühendisi Natalia Litchinitser meta malzemelerin, doğada bulunmayan ve tamamen yeni yollarla ışıkla etkileşime giren bir özellikte olduğunu açıklıyor. Nasıl etkileşime girdikleri yapılara bağlıdır; başka bir deyişle şekillerine, yoğunluklarına, desenlerine ve neyden yapıldıklarına. Bu, aynı zamanda meta yüzeyler için de geçerlidir. Doğru tasarımla, meta yüzeyler minyatür lensler veya aynalar haline gelebilmektedir. Dolayısıyla bu, küçük alanlara sığabilecekleri ve insanların daha önce görmedikleri şeyleri ortaya çıkarabilecekleri anlamına geliyor.

Yine de Litchinitser, bu teknolojinin nispeten yeni ve sınırları olduğu konusunda uyarıyor. Örneğin, meta yüzey lensler genellikle bulanık resimler veya kenarlarında renkli haleler olan resimler üretir. Litchinitser, yeni kameranın yaratıcılarına bu sorunların üstesinden gelmek için bilgisayar programları geliştirdikleri için teşekkür ediyor. Bu programlar için araştırmacılar yapay zekaya yöneldiler.

Daha İyi Fotoğraflar Elde Etmek İçin Makine Öğrenmesi

Bu mikro boyutlu kamera, büyük sonuçlar elde etmek için yapay zekâ kullanmaktadır. Harika fotoğraflarının arkasında benzersiz lensi ve görüntü işleme yaklaşımı var. Örneğin, TikTok veya Snapchat gibi uygulamalar, bir fotoğrafta yüzünüzü tanıdığında ve bir filtre uyguladığında, bunu yapay zekâ aracılığıyla sağlamaktadır.

Bu özellikleri ne kadar çok kullanırsanız, makine öğrenimi sizi tanımlamada o kadar iyi olur. Çünkü bu programlar hatalarından ders alırlar. Benzer bir yaklaşımla, Heide’nin ekibi meta yüzey kameralar için iki temel zorluğun üstesinden geldi: lens tasarımı ve görüntü kalitesi. Yüksek kaliteli bir görüntü elde etmek için 1,5 milyondan fazla metal yapıya sahip bir meta yüzeye ihtiyaçları vardı.

Diğer mini kameralarla çekilen resimler bulanık ve bozuk (solda). 
Yeni kamera net, tam renkli fotoğraflar çekiyor (sağda). 
Geleneksel kameralarla çekilen fotoğraflarla aynı seviyedeler.

En iyi fotoğrafı elde etmek için yapılar nasıl düzenlenmelidir?

Her olasılığı keşfetmek çok fazla zaman ve bilgi işlem gücü gerektirecektir. Neyse ki, bunun bir kısa yolu var. Ekip, ışığın bir mercekten geçmesini sağlayan ve oluşturduğu resmi simüle eden bir bilgisayar programı yazdı. Ardından program lens tasarımını değiştirdi ve simülasyonu çalıştırdı. Yeni görüntüyü öncekiyle karşılaştırdı ve hangisinin daha iyi olduğuna karar verdi. Program farklı olasılıklar arasında geçiş yaptı. Her seferinde de en iyi görüntüyü nasıl elde edeceğini biraz öğrendi.

Ancak mükemmel bir lens tasarımı bile, siz başka bir zorluğun üstesinden gelmedikçe net fotoğraflar sağlamayacaktır. Hiçbir meta yüzey lens, içinden geçen tüm ışık ışınlarını mükemmel şekilde odaklayamaz. Bu, bulanıklık sorununu ortaya çıkarır. Bununla başa çıkmak için ekip ikinci bir bilgisayar programı yazdı. Bu program, simüle edilmiş bir sahnenin farklı şekillerde bulanık görüntülerine baktı. Program, görüntüler arasında gezinerek ve bunları orijinal sahneyle karşılaştırdı. Sonucunda da her tür bulanıklığı düzeltmeyi öğrenmeyi başardı.

Yalnızca 0,5 milimetre küp (bir inç küpün 300 milyonda biri) boyutundaki bir mercek, artık hacminin 550.000 katı olan geleneksel bir kamera merceğinin kalitesiyle rekabet ediyor. Tıpkı çok daha hantal selefi gibi, yeni kameranın çektiği fotoğraflar net, renkli ve geniş bir görüş alanı yakalıyor. Onunla bir selfie bile çekebilirsiniz. Ancak şimdilik ekip ekstra dikkatli davranıyor ve onu bu varsayımlardan uzak tutuyor. Günümüz teknolojisi her geçen gün bizi şaşırtmaya devam edecek gibi.



Kaynakça ve İleri Okuma: Bu yazı “Neural nano-optics for high-quality thin lens imaging” adlı makaleden düzenlenmiştir. (Erişim Tarihi: 05.02.2022)

Matematiksel

Başa dön tuşu