عکاسی بدون لنز و پایان عصر عدسی ها

در دوربین‌های سنتی، لنز نقش حیاتی هدایت و متمرکز کردن نور بر روی سنسور را بر عهده دارد. با این حال، لنزها محدودیت‌های فیزیکی زیادی دارند؛ آن‌ها سنگین، گران‌قیمت و تابع قوانین اپتیک هستند که باعث ایجاد خطا در لبه‌های تصویر می‌شود. ایده «دوربین‌های بدون لنز» (Lensless Cameras) به دنبال حذف این قطعات فیزیکی و جایگزینی آن‌ها با الگوریتم‌های محاسباتی است. در این فناوری، نور به صورت پراکنده به سنسور می‌تابد و تصویری که در ابتدا برای چشم انسان نامفهوم است، توسط هوش مصنوعی و محاسبات ریاضی پیشرفته بازسازی می‌شود.

 

این تغییر پارادایم به معنای حذف محدودیت‌های اندازه و وزن است. تصور کنید گوشی‌های هوشمندی داشته باشیم که کاملاً تخت هستند و هیچ برآمدگی دوربینی ندارند، یا تجهیزات پزشکی میکروسکوپی که بدون نیاز به عدسی، تصاویری با وضوح بالا از داخل بدن ثبت می‌کنند. در واقع، در این سیستم‌ها «رایانش» وظیفه فوکوس و تشکیل تصویر را بر عهده می‌گیرد، نه قطعات شیشه‌ای.

 

دنیای تصویربرداری در آستانه جهشی قرار دارد که بسیاری آن را با گذار از عکاسی آنالوگ به دیجیتال مقایسه می‌کنند. محققان دانشگاه کانکتیکات موفق به توسعه فناوری جدیدی شده‌اند که اجازه می‌دهد بدون نیاز به لنزهای سنگین و سیستم‌های نوری پیچیده، تصاویری با وضوح فوق‌العاده بالا ثبت شود. این سیستم که MASI نامیده می‌شود، به جای تکیه بر انکسار نور در شیشه، از ترکیب آنتن‌های نوری، معادلات ریاضی و قدرت پردازش ابری برای خلق تصویر بهره می‌برد.

 

منبع الهام این نوآوری، تکنولوژی به‌کاررفته در تلسکوپ «افق رویداد» (ETH) است؛ همان سیستمی که برای اولین بار توانست تصویری از یک سیاهچاله را با ترکیب داده‌های چندین تلسکوپ در سراسر زمین ثبت کند. چالش اصلی در انتقال این فناوری از امواج رادیویی تلسکوپ‌ها به طول موج‌های مرئی نور، حساسیت بسیار بالای سنسورها بود. در نور مرئی، حتی یک ناهماهنگی نانومتری میان حسگرها می‌تواند کل تصویر را نابود کند. اما تیم تحقیقاتی به سرپرستی پروفسور «ژنگ»، با حذف نیاز به هماهنگی فیزیکی سنسورها، این مانع بزرگ را از سر راه برداشت.

 

در ابزار ابداعی MASI، سنسورها بر روی یک صفحه پراش مخصوص قرار می‌گیرند و هر کدام به طور مستقل الگوهای نوری را ثبت می‌کنند. سپس نوبت به جادوی نرم‌افزاری می‌رسد؛ الگوریتم‌های محاسباتی، میدان موج هر سنسور را بازسازی کرده و با همگام‌سازی فاز داده‌ها، آن‌ها را به صورت مجازی در کنار هم قرار می‌دهند. نتیجه این فرآیند، ایجاد یک «دهانه مجازی» بسیار بزرگ است که می‌تواند وضوحی کمتر از یک میکرون را در میدان دیدی وسیع فراهم کند؛ چیزی که دستیابی به آن با لنزهای سنتی مستلزم داشتن عدسی‌هایی به شدت سنگین و غول‌آسا بود.

 

این دستاورد تنها یک تجربه آزمایشگاهی نیست، بلکه مسیری را برای تولید نسل جدیدی از سیستم‌های تصویربرداری سبک‌وزن و فوق‌پیشرفته هموار می‌کند. از تلسکوپ‌های فضایی ارزان‌تر و سبک‌تر گرفته تا میکروسکوپ‌های جیبی و دوربین‌های موبایلی که دیگر نیازی به برآمدگی لنز ندارند، همگی مدیون این تغییر رویکرد از اپتیک فیزیکی به «اپتیک محاسباتی» خواهند بود. با نهایی شدن این فناوری، لنزهای شیشه‌ای که قرن‌ها حاکم مطلق دنیای تصویر بودند، احتمالاً به موزه‌ها خواهند پیوست.

 

حذف برآمدگی دوربین (Camera Bump) یکی از بزرگترین چالش‌های مهندسی در گوشی‌های مدرن است. در حالی که بدنه گوشی‌ها نازک‌تر می‌شود، لنزها به دلیل قوانین فیزیک و نیاز به فاصله کانونی، روز به روز بزرگتر و بیرون‌زده‌تر می‌شوند. فناوری دوربین‌های بدون لنز (MASI) می‌تواند این پارادوکس طراحی را برای همیشه حل کند.

 

در ادامه، ۳ تغییر انقلابی که این فناوری در طراحی گوشی‌های هوشمند ایجاد می‌کند را بررسی می‌کنیم:

 

در دوربین‌های فعلی، ضخامت لنزها باعث می‌شود که ماژول دوربین مانند یک پله از پشت گوشی بیرون بزند. فناوری دوربین بدون لنز به جای مجموعه‌ای از عدسی‌های ضخیم، تنها از یک صفحه تخت پراش (Diffraction Mask) و یک سنسور تخت استفاده می‌کند. این یعنی ضخامت کل سیستم دوربین می‌تواند به کمتر از ۲ یا ۳ میلی‌متر برسد. نتیجه، گوشی‌هایی خواهد بود که پشت آن‌ها مانند یک تکه شیشه یکپارچه، کاملاً صاف و صیقلی است.

 

در سیستم‌های فعلی، لنز و سنسور باید دقیقاً روی هم قرار بگیرند. اما در فناوری مبتنی بر محاسبات (مانند MASI)، سنسورهای کوچک می‌توانند در نقاط مختلف بدنه یا حتی زیر لایه‌های مختلف شیشه پخش شوند. هوش مصنوعی داده‌های این سنسورهای پراکنده را جمع‌آوری کرده و یک تصویر واحد با رزولوشن خیره‌کننده می‌سازد. این موضوع دست طراحان را برای خلق فرم‌فاکتورهای جدید و عجیب باز می‌گذارد.

 

بزرگترین مشکل دوربین‌های سلفی زیر نمایشگر فعلی، افت کیفیت نور به دلیل عبور از لایه‌های پنل OLED است. دوربین‌های بدون لنز چون اساساً بر پایه محاسبات ریاضی و بازسازی میدان موج کار می‌کنند، بسیار بهتر از لنزهای سنتی می‌توانند اثرات مخرب لایه‌های نمایشگر را خنثی کنند. این یعنی ما در آینده گوشی‌هایی خواهیم داشت که نه در جلو و نه در عقب، هیچ حفره یا برآمدگی دوربینی ندارند؛ یک مستطیل شیشه‌ای خالص.