AI об'єднали з нанопристроєм для миттєвого виправлення спотворень світла

Розмитість світла, викликана недосконалістю лінз, є хронічною проблемою для будь-якої техніки - від медичних мікроскопів і гігантських телескопів до камер звичайних смартфонів. Використовуючи крихітний, але ретельно спроєктований оптичний елемент та штучний інтелект, інженери з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго (UC San Diego) створили метод виявлення та виправлення цих спотворень за одним єдиним кадром. Цей крок може зробити передові оптичні системи значно швидшими, меншими та простішими в експлуатації.

«Ми поєднали фундаментальну фізику, нанотехнології та машинне навчання, щоб зробити приховані оптичні викривлення легшими для виявлення та виправлення, - розповідає провідний автор дослідження Абдулай Ндао (Abdoulaye Ndao), професор кафедри електротехніки та комп'ютерної інженерії Школи інженерії Джейкобса при UC San Diego. - Наше рішення є швидким, надійним, крихітним і легко інтегрується в різні оптичні системи. Воно майже нічого не важить, адже розмір зразка становить усього 1х1 сантиметр, а товщина - пів міліметра».

Результати наукової праці під назвою «Гібридний підхід до наскрізного глибокого навчання для однокадрового зондування та корекції хвильового фронту» (An end-to-end hybrid deep-learning approach for single-shot wavefront sensing and correction) були опубліковані в журналі Nature Communications. Співавторами розробки виступили аспіранти Сіна Моаєд Бахарлоу (Sina Moayed Baharlou) та Мухаммад Валід Халід (Muhammad Waleed Khalid).

Більшість наявних сьогодні методів виправлення дрібних недосконалостей лінз, які викривлюють світло і погіршують якість зображення, вимагають проведення серії тривалих вимірювань, встановлення додаткового громіздкого заліза або запуску повторюваних математичних розрахунків. Це робить пристрої масивними, повільними та непридатними для інтеграції в компактні мобільні гаджети.

Щоб обійти це обмеження, команда з Каліфорнії об'єднала два компоненти: оптичний елемент метаповерхні, спроєктований за допомогою AI, та аналітичну AI-систему на базі глибоких нейромереж.

Працюючи в тандемі, ці компоненти присвоюють кожному типу оптичного спотворення унікальний «цифровий підпис» на зображенні. Глибока нейромережа зчитує ці мікроструктурні дефекти з одного-єдиного знімка світлового патерну і миттєво дає командному процесору інструкцію, як саме їх скоригувати.

Спочатку дослідники перевірили концепцію на одній довжині хвилі світла, після чого успішно розширили можливості пристрою. У результаті фінальний прототип зміг стабільно працювати з різними довжинами хвиль (мультиспектральність), зберігати точність в умовах сильного оптичного шуму та справлятися зі складними геометричними формами світлових променів.

Важливо, що вчені не обмежилися комп'ютерним моделюванням. Використовуючи потужності спеціалізованої чистої кімнати Nano3 при Інституті Qualcomm (UC San Diego), дослідники фізично виготовили ключові оптичні компоненти й протестували їх на практиці в широкому діапазоні експериментальних умов.

Автори наголошують, що їхня робота закладає масштабовану та практичну основу для корекції оптичних аберацій у реальному часі для фотонних систем наступного покоління.

На розроблений метод уже подано заявку на патент. Технологія здатна радикально покращити апаратне забезпечення, яке використовується в таких наукомістких та індустріальних сферах, як біологія та медицина, зі створенням над чітких та надтонких мікроскопів для дослідження клітин наживо; усунення атмосферних завад для наземних телескопів без потреби у гігантських дзеркальних приводах; лазерне калібрування літографічних машин під час друку мікрочипів; вихід на новий рівень мобільної фотографії у надтонких корпусах смартфонів.

У масштабному дослідженні також узяли участь науковці з Каліфорнійського університету в Берклі (UC Berkeley) та Бостонського університету (Boston University).