Las cámaras en miniatura se utilizan hoy en día en muchos campos: imágenes médicas, teléfonos inteligentes, vigilancia / seguridad, robótica, conducción autónoma, etc. A una escala aún menor, los generadores de imágenes nano-ópticos están allanando el camino para nuevas aplicaciones en muchos campos, desde la robótica hasta la medicina. Las metauperficies son una tecnología prometedora para diseñar este tipo de lectores de imágenes, pero con los dispositivos desarrollados hasta ahora, la calidad de la imagen no es realmente satisfactoria. Los investigadores ahora brindan una solución para mejorar la nitidez.
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Una calidad equivalente a las lentes tradicionales
En un artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza, el equipo dice que su sistema de cámara ultracompacto y miniaturizado puede producir imágenes en color nítidas con una calidad equivalente a la de una lente de cámara convencional 500.000 veces más grande. Mientras que una lente tradicional usa una serie de lentes de vidrio o plástico curvas para curvar los rayos de luz y enfocar, el nuevo sistema óptico se basa en una metasuperficie: casi medio milímetro de ancho, está tachonado con 1.6 millones de pines cilíndricos, cada uno aproximadamente del tamaño de la virus de inmunodeficiencia humana (VIH)!
Las metasuperficies están hechas de nitruro de silicio, un material similar al vidrio que es compatible con los métodos de fabricación de semiconductores estándar utilizados para chips de computadora. Esto significa que un diseño de metasuperficie dado podría producirse fácilmente en masa a un costo menor que las lentes de las cámaras convencionales, dicen los investigadores.
El funcionamiento de la mayoría de los dispositivos ópticos convencionales se basa en cambiar la fase, amplitud o polarización del frente de onda de luz. Las metasuperficies permiten el control del frente de onda a través de una interfaz óptica extremadamente delgada. Consisten en una serie de difusores ópticos o resonadores a nanoescala, todos colocados para formar correctamente todo el frente de onda.
Las cámaras microscópicas anteriores (izquierda) capturaban imágenes borrosas y distorsionadas con campos de visión limitados. El nuevo sistema, llamado nanoóptica neuronal (derecha), puede producir imágenes en color nítidas comparables a las de una lente de cámara estándar. Créditos: E. Tseng et al., Nature Communications (2021)
Cada “pin” en la superficie, por lo tanto, tiene una geometría única y funciona como una antena óptica. Mediante el uso de algoritmos basados en el aprendizaje automático, las interacciones de estas microestructuras con la luz se combinan para producir imágenes en color de la más alta calidad con un campo de visión más grande que el que jamás se haya visto con una metasuperficie hasta el día de hoy.
Un enfoque que combina óptica y procesamiento neuronal
Los dispositivos desarrollados anteriormente a menudo capturaban imágenes borrosas y distorsionadas con campos de visión limitados; necesitaban luz láser pura de un laboratorio u otras condiciones ideales para producir imágenes de alta calidad. Donde el enfoque de los investigadores se destaca del resto es en el diseño integrado de la superficie óptica y los algoritmos de procesamiento de señales que producen la imagen; esto hizo posible mejorar el rendimiento de la lente en condiciones de luz natural, explicado Felix Heide, profesor asistente de ciencias de la computación en Princeton y autor principal del estudio.
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De hecho, resulta especialmente complejo determinar la configuración que debe adoptar cada una de las microestructuras (ubicación, tamaño, forma) que recubre la superficie para obtener la mejor imagen posible. Pero un miembro del equipo, Shane Colburn, aceptó este desafío creando un simulador de computadora para automatizar las pruebas de diferentes configuraciones de nanoantenas. Sin embargo, debido a la cantidad de antenas y la complejidad de sus interacciones con la luz, este tipo de simulación puede usar “grandes cantidades de memoria y tiempo”, dijo Colburn.
Los investigadores compararon las imágenes producidas con su sistema con los resultados obtenidos con los dispositivos de meta-superficie existentes, así como con las imágenes capturadas por la óptica compuesta tradicional que utiliza una serie de seis lentes refractivas. Además de un ligero desenfoque en los bordes del encuadre, las imágenes a nanoescala de la cámara eran comparables a las tomadas con la configuración de lente tradicional, que es más de 500.000 veces más grande.
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Heide y sus colegas ahora están trabajando para agregar más recursos computacionales a la propia cámara, para mejorar aún más la calidad de la imagen, así como la detección de objetos y otras funciones para la medicina y la robótica. Su sistema podría, por ejemplo, hacer posible realizar una endoscopia mínimamente invasiva para diagnosticar y tratar enfermedades, o incluso mejorar la imagen de ciertos sistemas robóticos sujetos a restricciones de tamaño y peso. También se pueden utilizar matrices de miles de lentes para convertir una superficie completa en una cámara: ” Ya no necesitaría tres cámaras en la parte posterior de su teléfono porque toda la parte posterior de su teléfono se convertiría en una cámara gigante. Podemos pensar en formas completamente diferentes de construir dispositivos en el futuro. Dijo Heide.
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