Diminutas lentes de metamaterial capturan imágenes descomunales

Usando el tipo de física que distorsiona la luz que hace posibles las "capas de invisibilidad", los científicos han desarrollado una cámara pequeña y liviana que puede tomar fotos tan buenas o mejores que las cámaras digitales comerciales con un volumen de más de 100 veces más grande, para uso potencial en teléfonos inteligentes y otros dispositivos portátiles, encuentra un nuevo estudio.

Las cámaras modernas suelen tener múltiples lentes que las ayudan a capturar imágenes de alta calidad, pero también hacen que las cámaras sean grandes y pesadas. Este volumen evita que las cámaras de gama alta se integren fácilmente en dispositivos móviles como teléfonos inteligentes, drones y equipos de video.

El nuevo dispositivo de lente única tomó imágenes de resolución comparable a la de una cámara Sony de nivel profesional, ocupando un volumen que es menos del uno por ciento de la óptica de Sony.

Para miniaturizar las cámaras, los científicos están explorando cada vez más la óptica plana hecha de metaestructuras, materiales cuyas estructuras contienen patrones repetitivos a escalas que son más pequeñas que las longitudes de onda características de lo que sea que las estructuras estén diseñadas para manipular. Las metaestructuras ópticas, que están hechas para manipular la radiación electromagnética, pueden desviar la luz de formas inesperadas, lo que da como resultado capas de invisibilidad a nanoescala y otros dispositivos.

Otra estrategia para ayudar a miniaturizar las cámaras es la imagen computacional, que utiliza software para corregir cualquier deficiencia de los componentes ópticos. Investigaciones anteriores sugirieron que la combinación de ópticas hechas de metamateriales (también conocidos como meta-ópticas) aumentadas por imágenes computacionales podría conducir a imágenes de alta calidad utilizando ópticas de solo micrómetros de espesor.

Un problema importante a la hora de diseñar metaópticas es la extraordinaria dificultad a la que se enfrentan los investigadores a la hora de modelar computacionalmente las complejas interacciones entre la luz y todos los componentes ópticos. Esto significa que aunque la metaóptica teóricamente tiene un gran potencial, los materiales metaópticos que los científicos terminan fabricando a menudo ofrecen una calidad de imagen significativamente inferior a la de los métodos ópticos convencionales, dice la coautora del estudio Karen Egiazarian de la Universidad de Tampere, en Finlandia.

En el nuevo estudio, los investigadores exploraron una estrategia de "hardware en el circuito" en la que realizaron experimentos utilizando lentes y sensores reales en lugar de modelar computacionalmente cómo podrían comportarse estos componentes. Esto ayudó a reducir drásticamente las demandas de procesamiento del desarrollo de la metaóptica al menos cien veces y las necesidades de memoria al menos diez veces, señalan los investigadores.

La metaóptica híbrida resultante constaba de una lente refractiva estándar de 4,5 milímetros de espesor cubierta con una película metaóptica de cuarzo de 500 µm de espesor recubierta de pilares cuadrados de nitruro de silicio de 700 nanómetros de altura. En los experimentos, los científicos utilizaron la metaóptica híbrida y las técnicas de imagen computacional para capturar fotografías de imágenes a una distancia de 0,5 a 1,8 metros.

El nuevo dispositivo de lente única tomó imágenes a todo color cuya calidad era tan buena o mejor que las capturadas por una cámara sin espejo comercial Sony Alpha 1 III con una lente compuesta Sony SEL85F18, dicen los investigadores.

"Esta metodología de hardware en el circuito es capaz de producir una mejor óptica en comparación con el estado del arte", dice el coautor del estudio, Vladimir Katkovnik, también de la Universidad de Tampere.

Al mismo tiempo, el nuevo dispositivo representaba menos del 1 por ciento del volumen del sistema de Sony.

"Creo que la aplicación más impactante en este momento es el diseño de una nueva generación de cámaras personalizadas para teléfonos inteligentes", dice el autor principal del estudio, Samuel Pinilla, del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología, en Harwell, Inglaterra. "También estamos interesados ​​en aplicaciones biomédicas". La investigación futura también puede explorar aplicaciones meta-ópticas como imágenes hiperespectrales y clasificación de imágenes, dice Egiazarian.

Las metaópticas híbridas del nuevo dispositivo tenían solo 5 mm de ancho. En el futuro, los investigadores sugieren que podrían desarrollar metaópticas aún más amplias que recolecten más luz para una mejor calidad de imagen. Sin embargo, la fabricación de este tipo de óptica "todavía es un área en desarrollo, y se necesitan más avances para implementar con éxito un diseño dado", dice el coautor del estudio Igor Shevkunov, en Tampere.

Los científicos detallaron sus hallazgos en línea el 26 de mayo en la revista Science Advances.