Persian
آیا ماژولهای دوربین بدون لنز کار میکنند؟ تغییر انقلابی در تصویربرداری محاسباتی
ساخته شده در 2025.11.21
برای دههها، ما این را بدیهی فرض کردهایم که دوربینها به لنز نیاز دارند—همانطور که فرض میکنیم خودروها به موتور نیاز دارند یا تلفنها به صفحه نمایش نیاز دارند. لنزها مدتهاست که "چشم" ماژولهای دوربین، نور را خم کرده تا تصاویر واضحی را بر روی حسگرها متمرکز کند. اما اگر آن فرضیه بنیادی دیگر درست نباشد چه؟ امروز، پیشرفتها در تصویربرداری محاسباتی، الگوریتمهای هوش مصنوعی و میکروفابریکیشن نشان میدهند که ماژولهای دوربین میتوانند بدون لنز کار کنند—درهای جدیدی به روی دستگاههای کوچکتر، ارزانتر و چندمنظوره باز میکنند که تعریف جدیدی از آنچه فناوری تصویربرداری میتواند انجام دهد ارائه میدهند.
انقلاب بدون لنز: چگونه همه چیز کار میکند
ماژولهای دوربین بدون لنز فقط لنز را حذف نمیکنند—آنها کل فرآیند تصویربرداری را بازنگری میکنند. دوربینهای سنتی به لنزهای نوری برای انکسار نور و تشکیل یک تصویر مستقیم بر روی حسگر وابسته هستند. سیستمهای بدون لنز این تمرکز فیزیکی را با "تمرکز محاسباتی" جایگزین میکنند: آنها دادههای نوری خام را از طریق ساختارهای نوری جایگزین ضبط میکنند و از الگوریتمها برای بازسازی تصاویر واضح و قابل استفاده استفاده میکنند. در اینجا سه فناوری پیشگامانه که این امکان را فراهم میکند آورده شده است:
1. تصویربرداری ماسک برنامهپذیر: کدگذاری نور دینامیک
یک تغییر دهنده بازی در فناوری بدون لنز از محققان دانشگاه علوم و فناوری نانجینگ ناشی میشود، که سیستم تصویربرداری بدون لنز با دیافراگم منطقهای فرسنل قابل برنامهریزی (LIP) را توسعه دادهاند. به جای لنز، LIP از یک ماسک قابل برنامهریزی استفاده میکند که دیافراگمهای منطقهای فرسنل دینامیک (FZA) را نمایش میدهد—الگوهایی که نور را مدوله میکنند تا اطلاعات فضایی و فرکانسی را ضبط کنند.
سیستم در دو مرحله کلیدی کار میکند: اول، ماسک برنامهپذیر FZA را جابجا میکند تا نقاط داده میدان نوری زیر دیافراگم متعددی را جمعآوری کند. سپس، یک الگوریتم ادغام موازی این نقاط داده را در حوزه فرکانس ترکیب میکند تا تصاویر با وضوح بالا بازسازی شوند. نتیجه؟ افزایش وضوح ۲.۵ برابری و بهبود نسبت سیگنال به نویز ۳ دسیبل نسبت به سیستمهای بدون لنز ماسک ثابت سنتی. در حالت دینامیک، این سیستم ۱۵ فریم در ثانیه را به دست میآورد—به اندازه کافی سریع برای شناسایی حرکات در زمان واقعی و تعامل انسان و کامپیوتر—در حالی که اندازه ماژول دوربین را ۹۰٪ کاهش میدهد.
2. بازتاب نور تصویربرداری: شیشه به عنوان "لنز نامرئی"
راژش منون از دانشگاه یوتا رویکرد متفاوتی را اتخاذ کرد: استفاده از نور بازتابیده در یک تکه شیشه به جای لنزهای سنتی. بیشتر نور از شیشه عبور میکند، اما یک بخش کوچک از آن از سطوح داخلی آن بازتاب میشود. تیم منون یک سنسور CMOS را به لبه یک پنل شیشه اکریلیک متصل کرد و بقیه پنل را با نوار بازتابنده پوشاند تا این نور بازتابیده را به دام بیندازد.
زمانی که نور به شیشه برخورد میکند، حسگر سیگنالهای بازتابی را تشخیص میدهد و الگوریتمهای یادگیری ماشین آن دادهها را به تصاویر تبدیل میکنند. نبوغ این طراحی در سادگی آن است: خود شیشه به عنوان عنصر نوری عمل میکند و نیاز به هر لنز خمیدهای را از بین میبرد. در حالی که تصاویر خام برای چشمهای انسان تار هستند، اما دادههای کافی برای استخراج اطلاعات حیاتی توسط کامپیوترها را در خود دارند—که برای کاربردهایی که در آنها ماشینها، نه انسانها، "بیننده" هستند، ایدهآل است.
3. آرایههای میکرولنز: جمعآورندههای نور مینیاتوری
برای تصویربرداری سهبعدی، محققان دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، یک ماژول بدون لنز با استفاده از یک آرایه میکرو لنز نازک توسعه دادهاند. برخلاف یک لنز بزرگ و حجیم، این آرایه از ۳۷ لنز پلیمر کوچک (فقط ۱۲ میلیمتر در قطر) برای ضبط نور از زوایای مختلف استفاده میکند. هر میکرو لنز به عنوان یک نقطه دید مستقل عمل میکند و اطلاعات عمق را جمعآوری میکند که الگوریتمهای هوش مصنوعی آن را به تصاویر سهبعدی در زمان واقعی بازسازی میکنند.
این فناوری یک محدودیت عمده دوربینهای ۳ بعدی سنتی را حل میکند: این فناوری با یک بار نوردهی کار میکند و از کالیبراسیون پیچیده اجتناب میکند. آرایه سبک و انعطافپذیر برای رباتها، بازرسی صنعتی و سیستمهای واقعیت مجازی/واقعیت افزوده ایدهآل است—جایی که اندازه و سرعت بیشتر از تصاویر با کیفیت عکس کامل اهمیت دارد.
کاربردهای دنیای واقعی: جایی که دوربینهای بدون لنز درخشش دارند
ماژولهای دوربین بدون لنز تنها آزمایشهای آزمایشگاهی نیستند—آنها در حال حاضر کاربردهای عملی در صنایع مختلف پیدا میکنند، که این امر به بزرگترین مزایای آنها: اندازه کوچک، هزینه پایین و دوام آنها بستگی دارد. در اینجا بخشهایی که در حال تغییر هستند آورده شده است:
فناوری واقعیت مجازی/واقعیت افزوده و فناوری پوشیدنی
بزرگترین گلوگاه در دستگاههای VR/AR فضا است—اضافه کردن یک دوربین سنتی برای ردیابی چشم یا کنترل حرکات، هدستها را سنگین میکند. ماژولهای بدون لنز این مشکل را حل میکنند: سیستم مبتنی بر شیشه منون به طور یکپارچه در لنزهای VR/AR قرار میگیرد تا حرکات چشم را ردیابی کند، در حالی که کاهش اندازه 90 درصدی ماژول LIP دانشگاه نانجینگ آن را برای پوشیدنیهای سبک ایدهآل میسازد. این ماژولها قابلیتهای تصویربرداری را بدون قربانی کردن راحتی یا طراحی اضافه میکنند.
تصویربرداری پزشکی
اندوسکوپهای سنتی از لنزهای بلند و سخت استفاده میکنند که میتواند برای بیماران ناراحتکننده باشد. ماژولهای بدون لنز امکان استفاده از اندوسکوپهای فوقالعاده نازک و انعطافپذیر را فراهم میکنند که میتوانند در فضاهای تنگ بدن حرکت کنند. اندازه کوچک آنها همچنین خطر آسیب به بافت را کاهش میدهد، در حالی که بازسازی محاسباتی وضوح تصویری را که پزشکان برای تشخیصهای دقیق نیاز دارند، حفظ میکند.
امنیت و نظارت
دوربینهای بدون لنز مزیت پنهانی را ارائه میدهند: آنها میتوانند در پنجرهها، دیوارها یا اشیاء روزمره بدون اینکه شناسایی شوند، ادغام شوند. برندهایی مانند Hikvision دوربینهای امنیتی "نامرئی" را با استفاده از فناوری بدون لنز راهاندازی کردهاند که در محیطها ادغام میشوند در حالی که حرکت و فعالیت را ضبط میکنند. دوام آنها—بدون عناصر لنز شکننده—همچنین آنها را برای شرایط سخت بیرونی ایدهآل میسازد.
خودرو و رباتیک
خودروهای خودران و رباتها به سیستمهای تصویربرداری جمع و جور و قابل اعتماد برای ناوبری نیاز دارند. ماژولهای بدون لنز در فضاهای تنگ در داشبورد خودروها یا بازوهای ربات جا میگیرند، در حالی که عمق میدان نامحدود آنها (یک اثر جانبی از عدم تمرکز فیزیکی) به شناسایی اشیاء در فاصلههای مختلف کمک میکند. ماژولهای آرایه میکرو لنز با قابلیت ۳D بهویژه برای دستکاری رباتها مفید هستند و به ماشینها اجازه میدهند تا "ببینند" شکل اشیائی را که در حال دستکاری هستند.
رشد بازار: اعداد پشت انقلاب
بازار دوربینهای بدون لنز در حال انفجار است زیرا این برنامهها در حال جذب توجه هستند. در سال 2020، اندازه بازار جهانی 25 میلیارد دلار بود و پیشبینی میشود تا سال 2025 به 60 میلیارد دلار برسد—با نرخ رشد سالانه ترکیبی بیش از 18%. تنها در چین، انتظار میرود بازار تا سال 2025 به 21 میلیارد دلار (150 میلیارد RMB) برسد، که این امر ناشی از تقاضا از سوی الکترونیک مصرفی و دستگاههای پزشکی است.
بازیکنان کلیدی مانند هیتاچی، تلیداین پرینستون اینسترومنتس و هوآوی به شدت در این فناوری سرمایهگذاری میکنند. حتی غولهای دوربین سنتی مانند کانن و سونی نیز در حال بررسی طراحیهای بدون لنز هستند تا در بازارهای پوشیدنی و اینترنت اشیاء رقابتی باقی بمانند. نیروی محرکه؟ هزینه: حذف لنزها یکی از گرانترین اجزای ماژولهای دوربین را از بین میبرد و دسترسی به تصویربرداری را برای دستگاههای بیشتری ممکن میسازد.
چالشها و راه پیش رو
ماژولهای دوربین بدون لنز هنوز کامل نیستند. آنها با سه چالش کلیدی مواجه هستند که محققان در حال تلاش برای حل آنها هستند:
اولاً، عملکرد نور ضعیف. بدون لنز برای متمرکز کردن نور، سیستمهای بدون لنز در شرایط نور کم با مشکل مواجه میشوند و منجر به تصاویر نویزی میگردند. پیشرفتهای اخیر در کاهش نویز با استفاده از هوش مصنوعی، مانند روش EPFL که نورپردازی خارجی را در نظر میگیرد، در حال بهبود عملکرد هستند، اما برای محیطهای کم نور مانند نظارت در شب به کار بیشتری نیاز است.
دوم، محدودیتهای وضوح بالا. در حالی که فناوری LIP به دستاوردهای قابل توجهی در وضوح دست یافته است، ماژولهای بدون لنز هنوز نمیتوانند با جزئیات لنزهای DSLR با کیفیت بالا رقابت کنند. برای عکاسی مصرفکننده، این به این معنی است که به زودی احتمالاً جایگزین دوربینهای سنتی نخواهند شد—اما برای بینایی ماشین و تصویربرداری پایه، وضوح در حال حاضر کافی است.
سوم، پیچیدگی الگوریتم. تصویربرداری بدون لنز به پردازندههای قدرتمند برای اجرای الگوریتمهای بازسازی وابسته است. برای دستگاههای کممصرف مانند حسگرهای IoT، این میتواند باتریها را تخلیه کند. شبکههای عصبی بهینهشده و سختافزارهای کارآمدتر در حال رسیدگی به این موضوع هستند، اما بهرهوری انرژی همچنان یک اولویت باقی مانده است.
آینده روشن به نظر میرسد. با قدرتمندتر شدن الگوریتمهای هوش مصنوعی و ارزانتر شدن میکروفابریکیشن، ماژولهای بدون لنز همچنان بهبود خواهند یافت. محققان در حال حاضر در حال بررسی تصویربرداری چند حالته هستند—ترکیب سیستمهای بدون لنز با حسگرهای قطبیسازی یا طیفی برای تشخیص پزشکی و تحلیل مواد. ما همچنین شاهد ادغام با 5G هستیم که امکان بازسازی تصویر در زمان واقعی را بر روی سرورهای ابری به جای دستگاههای محلی فراهم میکند.
نتیجهگیری: پایان عصر لنز؟
بنابراین، آیا ماژولهای دوربین میتوانند بدون لنز کار کنند؟ پاسخ یک بله قاطع است—و آنها در حال حاضر در زمینههای کلیدی از سیستمهای سنتی مبتنی بر لنز پیشی گرفتهاند. فناوری بدون لنز تنها یک نوآوری نیست؛ این یک تغییر پارادایم است که عملکرد، اندازه و هزینه را بر وفاداری کامل تصویر اولویت میدهد.
برای مصرفکنندگان، این به معنای دستگاههای کوچکتر و مقرون به صرفهتر با قابلیت تصویربرداری داخلی است—از ساعتهای هوشمند که سلامت را با حسگرهای بدون لنز کوچک ردیابی میکنند تا هدستهای واقعیت مجازی که سبکتر از همیشه به نظر میرسند. برای صنایع، این به معنای راهحلهای تصویربرداری است که در مکانهایی که دوربینهای سنتی نمیتوانند قرار بگیرند، مناسب هستند، از داخل بدن انسان تا فضاهای تنگ خودروهای خودران.
لنز به طور کامل نخواهد رفت - عکاسی حرفهای و فیلمبرداری حرفهای هنوز برای سالهای آینده به لنزهای دقیق وابسته خواهند بود. اما برای میلیاردها دستگاه تصویربرداری که به عکسهای با کیفیت موزه نیاز ندارند، ماژولهای بدون لنز در حال تسلط هستند. با پیشرفت مداوم تصویربرداری محاسباتی، به زودی دیگر از خود نخواهیم پرسید "آیا دوربینها میتوانند بدون لنز کار کنند؟" و شروع به پرسیدن این خواهیم کرد که چرا اصلاً به لنزها نیاز داشتیم.
تماس
اطلاعات خود را وارد کنید و ما با شما تماس خواهیم گرفت.
WhatsApp
WeChat