كاميرا مصفوفة ميكرولينز مُستلهمة من الأحياء لتصوير عالي الدقة ومجال رؤية واسع

رؤية أوسع في أماكن ضيقة

من الهواتف الذكية إلى مجسات طبية، تُضغط الكاميرات غالبًا داخل مساحات أصغر باستمرار بينما نظل نتوقع مشاهد حادة وواسعة للعالم. يصف هذا البحث كاميرا رقيقة كخامس الورق تستعير حيلًا من عيون حشرة غير اعتيادية لالتقاط صور بانورامية مفصّلة حيث لا تتسع العدسات الضخمة، ما يفتح مسارات لأدوات جديدة في الروبوتات والرعاية الصحية والأجهزة القابلة للارتداء.

دروس من عيون حشرات دقيقة

في الطبيعة، طوّرت الحيوانات طرقًا عديدة لرؤية واسعة دون حمل بصريات ثقيلة. تستخدم الحشرات ذات العيون المركبة العديد من العدسات الصغيرة لتغطية مجال واسع، لكن كل عدسة تعمل كبكسل واحد، لذا تكون الصورة خشنة. كائنات أخرى، مثل العناكب القافزة، والحرباء، وطيور الحبّاب، تُنظّم عيونًا أو مناطق بصرية متعددة لتمزج بين رؤية مركزية حادة وتغطية محيطية واسعة. تبرز حشرة طفيلية صغيرة، Xenos peckii: تجمع العشرات من العيون الصغيرة على سطح منحني، كل منها يأخذ رؤية اتجاهية صغيرة. معًا تشكل صورة واسعة ومفصّلة للمحيط مع الحفاظ على صغر حجم العين ككل. ألهمت هذه "العينات الكتلية" ذات الاتجاهات المختلفة تصميم الكاميرا في هذه الدراسة.

كاميرا مسطحة تتصرف كأنها عيون صغيرة عديدة

صمّم المؤلفون كاميرا بمصفوفة ميكرولينز بيضاوية مُزاحة مكانية، أو SOEMLA، تحاكي عينات الحشرة باستخدام تقنيات تصنيع دقيقة حديثة. بدلًا من عدسة كبيرة واحدة، تستخدم الكاميرا شبكة من العدسات الدقيقة وفتحات مزدوجة موضوعة فوق مستشعر إلكتروني مسطح. يتكون كل وحدة بصرية من فتحتين مُزاحتين جانبيًا وعدسة بيضاوية صغيرة، كلها موجهة في اتجاه طفيف مختلف ومربوطة بمجموعة بكسلات خاصة بها. من خلال إزاحة الفتحات بعناية عبر المصفوفة، تقسم المجموعة قبة الرؤية الكاملة إلى شرائح اتجاهية متداخلة عديدة، مما يسمح بتغطية مجال قطري يقارب 140 درجة مع الحفاظ على سمك أقل من مليمتر. بعد الالتقاط، يصحح الحاسوب تلاشي السطوع والتشوه لكل شريحة ويلصقها في صورة واحدة بوضوح مليون بكسل.

تشكيل العدسات للسيطرة على الحواف الضبابية

تعاني العدسات ذات الزوايا الواسعة غالبًا من طمس وتشوهات شكلية، خاصة قرب حواف الإطار، لأن الضوء يدخل بزوايا حادة. في مصفوفات الميكرولينز العادية ذات العدسات الكروية، تتركز هذه الأشعة خارج المحور بطرق مختلفة في اتجاهين، وهي مشكلة تُسمى الاستيجماتيزم، وينحني مستوى التركيز بعيدًا عن المستشعر المسطح. يتعامل SOEMLA مع هاتين المشكلتين على مستوى الأجهزة. فالعدسات الدقيقة بيضاوية بدلًا من كروية، مع انحناء مختلف قليلًا على محوريْن. تُعدّل أشكالها بحيث يأتي الضوء من الاتجاهات المائلة إلى تركيز حاد ومتماثل. في الوقت نفسه، يُعدَّل البُعد البؤري لكل عدسة من مركز المصفوفة إلى حافتها لإرجاع كل اتجاهات الرؤية إلى مستوى مشترك مسطح للمستشعر. تُظهر التجارب والمحاكاة أن هذا التصميم يحافظ على بقع الضوء المركزة بحجم شبه متساوٍ عبر زوايا الرؤية، محسنًا الحدة بشكل كبير مقارنة بكل من كاميرات الميكرولينز التقليدية ووحدة واسعة الزاوية تجارية.

من الرقائق الدقيقة إلى الأسنان والوجوه

لإثبات القيمة العملية، صوّر الفريق عدة أهداف في العالم الحقيقي عن قرب. تم التقاط رقاقة ميكروفلويدية كبيرة ممتلئة بقنوات سائلة ملونة من مسافة 20 مليمترًا فقط، ومع ذلك حلت الكاميرا قنوات دقيقة حتى نحو 70 ميكرومترًا بينما غطت مساحة أكبر بكثير من كاميرا ميكرولينز قياسية. داخل نموذج أسنان اصطناعي، وُضعت الجهاز حيث قد يجلس جهاز تصوير داخل الفم حقيقي، على نحو 30 مليمترًا من الأسنان. في لقطة واحدة، سجّل جميع الأسنان العلوية والسفلية بتفصيل يكفي لرؤية الفجوات والحدبات الصغيرة، متفوقًا على كل من تصميم ميكرولينز كروي وعدسة واسعة الزاوية مدمجة. مركبًا على إطار نظارة، سجّلت نفس الكاميرا كلا العينين من مسافات ذراع ووجوهًا كاملة بينما غير المستخدم نظره وتعابيره، مشيرة إلى استخدامات في تتبع النظر ومراقبة الوجه.

ماذا يعني هذا للأجهزة اليومية

بعبارات بسيطة، بنى الباحثون كاميرا ترى منطقة كبيرة بحدة بينما تكون أنحف من حبة رز. من خلال نحت العديد من الميكرولينز المائلة والمشكّلة بعناية في قطعة زجاج مسطحة ودمج رؤاها الصغيرة رقميًا، يتجاوز النظام المفاضلة المعتادة بين الحجم وجودة الصورة في البصريات واسعة الزاوية. قد تساعد هذه المقاربة المستوحاة من الطبيعة الآلات القادمة، والأدوات الطبية، والأجهزة القابلة للارتداء على الرؤية بشكل أوضح في المساحات الضيقة، تمامًا كما فعلت الحشرات الصغيرة لملايين السنين.

الاستشهاد: Kwon, JM., Kwon, Y., Cha, YG. et al. Biologically inspired microlens array camera for high-resolution wide field-of-view imaging. Nat Commun 17, 4343 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70967-2

الكلمات المفتاحية: كاميرا مصفوفة ميكرولينز, تصوير مجال رؤية واسع, بصريات مستوحاة من الطبيعة, تصميم كاميرا مدمج, تصوير يمكن ارتداؤه