Para fotógrafos e cientistas, lentes são salva-vidas. Eles refletem e refratam a luz, tornando possível os sistemas de imagem que conduzem a descoberta por meio do microscópio e preservam a história por meio de câmeras.

Mas as lentes de vidro de hoje são volumosas e resistem à miniaturização. Tecnologias de última geração, como câmeras ultrafinas ou microscópios minúsculos, requerem lentes feitas de uma nova variedade de materiais.

Em um artigo publicado em 9 de fevereiro em Avanços da Ciência , cientistas da Universidade de Washington anunciaram que combinaram com sucesso dois métodos de imagem diferentes - um tipo de lente projetada para interação em nanoescala com ondas de luz, junto com processamento computacional robusto - para criar imagens coloridas.

As lentes ultrafinas da equipe fazem parte de uma classe de objetos de engenharia conhecidos como metassuperfícies. Metasurfaces são análogos 2-D de metamateriais, que são materiais manufaturados com propriedades físicas e químicas normalmente não encontradas na natureza. Uma lente baseada em metassuperfície - ou metalens - consiste em superfícies planas de material padronizado microscopicamente projetadas para interagir com ondas de luz. A data, imagens tiradas com metalenses produzem imagens nítidas - na melhor das hipóteses - apenas para pequenas fatias do espectro visual. Mas os metalens da equipe UW - em conjunto com a filtragem computacional - produzem imagens coloridas com níveis muito baixos de aberrações em todo o espectro visual.

"Nossa abordagem combina os melhores aspectos das metalenses com imagens computacionais - permitindo-nos, pela primeira vez, para produzir imagens coloridas com alta eficiência, "disse o autor sênior Arka Majumdar, um professor assistente de física e engenharia elétrica da UW.

Em vez de vidro ou silicone manufaturado, metalenses consistem em arranjos repetidos de estruturas em escala nanométrica, como colunas ou barbatanas. Se colocado corretamente nessas escalas minúsculas, essas estruturas podem interagir com ondas de luz individuais com uma precisão que as lentes tradicionais não podem. Uma vez que as metalenses também são tão pequenas e finas, eles ocupam muito menos espaço do que as lentes volumosas de câmeras e microscópios de alta resolução. Metalenses são fabricados pelo mesmo tipo de processo de fabricação de semicondutores que é usado para fazer chips de computador.

"Metalenses são ferramentas potencialmente valiosas em imagens ópticas, uma vez que podem ser projetadas e construídas para funcionar bem para um determinado comprimento de onda de luz, "disse o autor principal Shane Colburn, um aluno de doutorado da UW em engenharia elétrica. "Mas essa também tem sido sua desvantagem:cada tipo de metalens só funciona melhor dentro de uma faixa estreita de comprimento de onda."

Em experimentos de produção de imagens com metalenses, a faixa de comprimento de onda ideal até agora tem sido muito estreita:no máximo, cerca de 60 nanômetros de largura com alta eficiência. Mas o espectro visual tem 300 nanômetros de largura.

As metalenses de hoje geralmente produzem imagens precisas dentro de sua estreita faixa ótima - como uma imagem totalmente verde ou uma imagem totalmente vermelha. Para cenas que incluem cores fora desse intervalo ideal, as imagens aparecem borradas, com baixa resolução e outros defeitos conhecidos como "aberrações cromáticas". Para uma rosa em um vaso azul, um metalen otimizado para vermelho pode pegar as pétalas vermelhas da rosa com poucas aberrações, mas a haste verde e o vaso azul seriam manchas não resolvidas - com altos níveis de aberrações cromáticas.

Majumdar e sua equipe levantaram a hipótese de que, se um único metalens pudesse produzir um tipo consistente de aberração visual em uma imagem em todos os comprimentos de onda visíveis, então, eles poderiam resolver as aberrações para todos os comprimentos de onda posteriormente usando algoritmos de filtragem computacional. Para a rosa no vaso azul, este tipo de metalens capturaria uma imagem da rosa vermelha, vaso azul e haste verde, todos com tipos semelhantes de aberrações cromáticas, que poderia ser abordado posteriormente usando filtragem computacional.

Eles projetaram e construíram um metalens cuja superfície era coberta por minúsculos, colunas de nitreto de silício com nanômetros de largura. Essas colunas eram pequenas o suficiente para difratar a luz em todo o espectro visual, que abrange comprimentos de onda que variam de 400 a 700 nanômetros.

Criticamente, os pesquisadores projetaram o arranjo e o tamanho das colunas de nitreto de silício nos metalens de modo que exibissem uma "função de espalhamento de ponto espectralmente invariável". Essencialmente, esse recurso garante que - para todo o espectro visual - a imagem contenha aberrações que podem ser descritas pelo mesmo tipo de fórmula matemática. Uma vez que esta fórmula seria a mesma, independentemente do comprimento de onda da luz, os pesquisadores poderiam aplicar o mesmo tipo de processamento computacional para "corrigir" as aberrações.

Eles então construíram um protótipo de metalens com base em seu projeto e testaram o desempenho dos metalens quando acoplados ao processamento computacional. Uma medida padrão de qualidade de imagem é a "similaridade estrutural", uma métrica que descreve o quão bem duas imagens da mesma cena compartilham luminosidade, estrutura e contraste. Quanto mais altas as aberrações cromáticas em uma imagem, quanto menor for a semelhança estrutural que terá com a outra imagem. A equipe UW descobriu que quando eles usaram um metalens convencional, eles alcançaram uma similaridade estrutural de 74,8 por cento ao comparar imagens vermelhas e azuis do mesmo padrão; Contudo, ao usar seu novo design metalens e processamento computacional, a similaridade estrutural subiu para 95,6 por cento. No entanto, a espessura total de seu sistema de imagem é de 200 micrômetros, que é cerca de 2, 000 vezes mais fino do que as câmeras de celular atuais.

"Esta é uma melhoria substancial no desempenho do metalens para imagens coloridas - particularmente para eliminar as aberrações cromáticas, "disse o co-autor Alan Zhan, um aluno de doutorado em física da UW.

Além disso, ao contrário de muitos outros sistemas de imagem baseados em metassuperfície, a abordagem da equipe UW não é afetada pelo estado de polarização da luz - que se refere à orientação do campo elétrico no espaço 3-D em que as ondas de luz estão viajando.

A equipe disse que seu método deve servir como um roteiro para fazer um metalens - e projetar etapas de processamento computacional adicionais - que podem capturar a luz de forma mais eficaz, além de aumentar o contraste e melhorar a resolução. Isso pode trazer minúsculo, sistemas de imagem de última geração ao seu alcance.