Pequenas lentes de metamaterial capturam imagens em tamanho grande

Usando o tipo de física de distorção da luz que torna possíveis as "capas da invisibilidade", os cientistas desenvolveram uma câmera pequena e leve que pode tirar fotos tão boas ou melhores que as câmeras digitais comerciais com um volume 100 vezes maior, para uso potencial em smartphones e outros dispositivos portáteis, segundo um novo estudo.

As câmeras modernas geralmente têm várias lentes que as ajudam a capturar imagens de alta qualidade, mas também tornam as câmeras grandes e pesadas. Esse volume evita que câmeras de última geração sejam facilmente integradas a dispositivos móveis, como smartphones, drones e equipamentos de vídeo.

O novo dispositivo de lente única capturou imagens de resolução comparável a uma câmera Sony de nível profissional, ocupando um volume inferior a um por cento da ótica da Sony.

Para miniaturizar as câmeras, os cientistas estão explorando cada vez mais a ótica plana feita de metaestruturas – materiais cujas estruturas contêm padrões repetidos em escalas menores do que os comprimentos de onda característicos de qualquer coisa que as estruturas estejam sendo projetadas para manipular. As metaestruturas ópticas, que são feitas para manipular a radiação eletromagnética, podem dobrar a luz de maneiras inesperadas, resultando em mantos de invisibilidade em nanoescala e outros dispositivos.

Outra estratégia para ajudar a miniaturizar as câmeras é a imagem computacional, que usa um software para corrigir eventuais deficiências dos componentes ópticos. Pesquisas anteriores sugeriram que a combinação de óptica feita de metamateriais (também conhecida como meta-óptica) aumentada por imagens computacionais poderia levar a imagens de alta qualidade usando óptica com apenas micrômetros de espessura.

Um grande problema quando se trata de projetar meta-óptica é a extraordinária dificuldade que os pesquisadores enfrentam em modelar computacionalmente as complexas interações entre a luz e todos os componentes ópticos. Isso significa que, embora a meta-óptica tenha teoricamente um grande potencial, os materiais meta-ópticos que os cientistas acabam fabricando geralmente oferecem qualidade de imagem significativamente inferior aos métodos ópticos convencionais, diz a coautora do estudo Karen Egiazarian, da Universidade de Tampere, na Finlândia.

No novo estudo, os pesquisadores exploraram uma estratégia de "hardware em loop", na qual realizaram experimentos usando lentes e sensores reais, em vez de modelar computacionalmente como esses componentes podem se comportar. Isso ajudou a reduzir drasticamente as demandas de processamento do desenvolvimento da meta-óptica em pelo menos cem vezes e as necessidades de memória em pelo menos dez vezes, observam os pesquisadores.

A meta-óptica híbrida resultante consistia em uma lente refrativa padrão de 4,5 milímetros de espessura coberta com um filme meta-óptico de quartzo de 500 µm de espessura revestido em pilares quadrados de nitreto de silício de 700 nanômetros de altura. Em experimentos, os cientistas usaram meta-óptica híbrida e técnicas de imagem computacional para capturar fotos de imagens de 0,5 a 1,8 metros de distância.

O novo dispositivo de lente única tirou fotos coloridas cuja qualidade era tão boa ou melhor do que as capturadas por uma câmera sem espelho Sony Alpha 1 III comercial com uma lente composta Sony SEL85F18, dizem os pesquisadores.

“Essa metodologia de hardware em loop é capaz de produzir uma ótica melhor em comparação com o estado da arte”, diz o coautor do estudo, Vladimir Katkovnik, também da Universidade de Tampere.

Ao mesmo tempo, o novo dispositivo ocupava menos de 1% do volume do sistema Sony.

“Acredito que o aplicativo de maior impacto no momento é o design de uma nova geração de câmeras personalizadas para smartphones”, diz o principal autor do estudo, Samuel Pinilla, do Science and Technology Facilities Council, em Harwell, Inglaterra. "Também estamos interessados ​​em aplicações biomédicas." Pesquisas futuras também podem explorar aplicações de meta-óptica, como imagens hiperespectrais e classificação de imagens, diz Egiazarian.

A meta-óptica híbrida do novo dispositivo tinha apenas 5 mm de largura. No futuro, os pesquisadores sugerem que poderiam desenvolver uma meta-óptica ainda mais ampla que coletasse mais luz para obter uma qualidade de imagem mais alta. No entanto, a fabricação de tal óptica "ainda é uma área em desenvolvimento, e mais avanços aqui são necessários para implementar com sucesso um determinado projeto", diz o coautor do estudo Igor Shevkunov, em Tampere.