《Nature》子刊:創新「超穎介面」奈米相機 可望拓微創手術應用

2021/11/30
《Nature》子刊:創新「超穎介面」奈米相機 可望拓微創手術應用
近(29)日,普林斯頓大學(Princeton University)資工系的團隊,開發出一項僅「鹽粒」大小、能產生清晰彩色圖像的相機,未來可望拓展微創手術、內視鏡的應用。該論文發表於期刊《Natur

(29)日,普林斯頓大學(Princeton University)資工系的團隊,開發出一項僅「鹽粒」大小、能產生清晰彩色圖像的相機,未來可望拓展微創手術、內視鏡的應用。該論文發表於期刊《Nature Communications》。

相較於傳統相機需使用一套弧形玻璃或塑膠透鏡來將光線聚焦,這種微型相機是透過「超穎介面」(metasurface)這項新材料技術製造而成,該材料可如晶片般生產、只有半毫米的寬度。

研究人員在每塊超穎介面材料上,佈滿了160萬根圓柱,每個圓柱僅有愛滋病毒(HIV)般的大小,且各有獨特的幾何形狀,功能類似於接收光學訊號的「天線」。在機器學習演算法的幫助下,結合光學訊號後,能產生寬廣的視野與高畫質圖像。

領導該研究的資工系助理教授Felix Heide表示,開發該創新相機的一項關鍵,是結合光學面(optical surface)和圖像訊號處理演算法的整合性設計。他進一步說明,比起先前的超表面相機,需要靠實驗室的雷射或其他更好的光學條件,才能產生高品質影像,他們的新發明能提高相機在自然光下的性能。

研究人員將這款奈米級相機系統產生的圖像,與使用折射鏡的傳統光學相機比較,發現除了畫面邊緣稍微模糊外,奈米相機與傳統相機的圖像解析度相當,但體積卻僅有傳統相機的50萬分之一。

而與目前已有的超穎介面相機比較下,圖像較不會失真、視野更大,且能完整捕獲全光譜範圍,產生RGB影像。

參與研究的資工博士Ethan Tseng表示,對這種相機而言,要拍出大視野的RGB影像相當具有挑戰性,因為必須涉及數百萬個奈米級的微小「天線」結構設計。因此,他們透過電腦演算法,自動測試不同的奈米級「天線」配置。

此外,華盛頓大學(University of Washington)的博士生James Whitehead,協助以氮化矽打造了這項超穎介面,讓該材料可透過目前的標準半導體生產技術大量生產,降低其製造成本。

目前,研究團隊仍在增進該相機的運算能力中,除了優化解析度,也希望增加物體檢測的功能,和醫學、機器人技術相關的其他感測模式,未來可望拓展微創手術、內視鏡的應用。

參考資料:

1.https://www.nature.com/articles/s41467-021-26443-0

2.https://www.sciencedaily.com/releases/2021/11/211129122716.htm

(編譯/巫芝岳)