Inspirándose en los ojos de unos trilobites de hace 500 millones de años, investigadores han desarrollado una cámara en miniatura con una lente bifocal con una profundidad de campo sin precedentes.
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| Ilustración de cómo la metalente modelada sobre la lente compuesta de un trilobite enfoca simultáneamente el objeto tanto cerca (conejo) como lejos (árbol). - S. KELLEY/NIST |
Estas cámaras ligeras de gran profundidad de campo, que
integran tecnología fotónica a escala nanométrica con fotografía basada en
software, prometen revolucionar los futuros sistemas de imágenes de alta
resolución. En particular, las cámaras aumentarían en gran medida la capacidad
de producir imágenes muy detalladas de paisajes urbanos, grupos de organismos
que ocupan un gran campo de visión y otras aplicaciones fotográficas en las que
los objetos cercanos y lejanos deben enfocarse con nitidez.
Todos los trilobites tenían un amplio rango de visión,
gracias a los ojos compuestos: ojos únicos compuestos de decenas a miles de
pequeñas unidades independientes, cada una con su propia córnea, cristalino y
células sensibles a la luz. Pero un grupo, Dalmanitina socialis, fue
excepcionalmente previsor. Sus ojos bifocales, cada uno montado sobre tallos y
compuestos por dos lentes que desvían la luz en diferentes ángulos, permitieron
a estas criaturas marinas ver simultáneamente presas flotando cerca y enemigos
distantes acercándose a más de un kilómetro de distancia. Sobre este ejemplo de
la naturaleza se han desarrollado las nuevas lentes, que se presentan en Nature Communications.
Los investigadores fabricaron una serie de lentes diminutas
conocidas como metalenses. Estas son películas ultrafinas grabadas o impresas
con grupos de pilares a nanoescala diseñados para manipular la luz de formas
específicas. Para diseñar sus metalenses, Agrawal y sus colegas tachonaron una
superficie plana de vidrio con millones de diminutos pilares rectangulares de
escala nanométrica. La forma y la orientación de los nanopilares constituyentes
enfocaban la luz de tal manera que la metasuperficie actuaba simultáneamente
como una lente macro (para objetos cercanos) y una lente telefoto (para objetos
distantes).
Específicamente, los nanopilares capturaron la luz de una
escena de interés, que se puede dividir en dos partes iguales: luz polarizada
circularmente a la izquierda y polarizada circularmente a la derecha. (La
polarización se refiere a la dirección del campo eléctrico de una onda de luz;
la luz polarizada circularmente a la izquierda tiene un campo eléctrico que
gira en sentido contrario a las agujas del reloj, mientras que la luz
polarizada circularmente a la derecha tiene un campo eléctrico que gira en el
sentido de las agujas del reloj).
Los nanopilares doblaron la luz polarizada circularmente
izquierda y derecha en diferentes cantidades, dependiendo de la orientación de
los nanopilares. El equipo dispuso los nanopilares, que eran rectangulares, de
modo que parte de la luz entrante tuviera que viajar a través de la parte más
larga del rectángulo y otra parte a través de la parte más corta. En el camino
más largo, la luz tuvo que atravesar más material y, por lo tanto, menos
curvatura.
La luz que se desvía en diferentes cantidades se lleva a un
foco diferente. Cuanto mayor sea la flexión, más cerca se enfoca la luz. De
esta forma, dependiendo de si la luz viaja por la parte más larga o más corta
de los nanopilares rectangulares, la metalente produce imágenes tanto de
objetos lejanos (a 1,7 kilómetros) como cercanos (a unos pocos centímetros).
Sin embargo, sin más procesamiento, eso dejaría objetos a
distancias intermedias (varios metros de la cámara) desenfocados. Agrawal y sus
colegas utilizaron una red neuronal, un algoritmo informático que imita el
sistema nervioso humano, para enseñar al software a reconocer y corregir
defectos como la borrosidad y la aberración de color en los objetos que
residían a medio camino entre el foco cercano y lejano de los metalentes. El
equipo probó su cámara colocando objetos de varios colores, formas y tamaños a
diferentes distancias en una escena de interés y aplicando la corrección de
software para generar una imagen final enfocada y libre de aberraciones en todo
el rango de kilómetros de profundidad de campo.
Los metalentes desarrollados por el equipo aumentan la
capacidad de captación de luz sin sacrificar la resolución de la imagen.
Además, debido a que el sistema corrige automáticamente las aberraciones, tiene
una alta tolerancia al error, lo que permite a los investigadores usar diseños
simples y fáciles de fabricar para las lentes en miniatura, dijo en un comunicado Amit Agrawal, uno de los autores de la investigación.
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