Como qualquer pessoa interessada em fotografia sabe, para obter recursos como um zoom poderoso, você geralmente precisa de uma câmera grande. A razão é que a maioria das câmeras dependem de refração, pelo qual a luz que passa pelas lentes diminui e muda de direção. Focar essa luz refratada requer uma certa quantidade de espaço.

Um caminho promissor para menores, câmeras poderosas embutidas em smartphones e outros dispositivos têm como objetivo projetar elementos ópticos que manipulam a luz por difração - a curvatura da luz em torno de obstáculos ou através de pequenas lacunas - em vez de refração.

Wolfgang Heidrich e colegas de trabalho do Visual Computing Center da KAUST e da University of British Columbia (UBC) no Canadá estão na vanguarda do desenvolvimento de novos elementos ópticos difrativos (DOEs) que podem ser impressos em pequenos, substratos finos. A equipe combina seus DOEs cuidadosamente projetados com técnicas computacionais avançadas que podem aprimorar muito as imagens produzidas por esses pequenos dispositivos ópticos.

Heidrich veio para a KAUST em 2014 vindo da UBC, onde ele desenvolveu anteriormente telas de contraste muito alto para aparelhos de televisão.

"Desenvolvemos a primeira tecnologia de display pronta para o consumidor que tinha um importante componente computacional, no sentido de que o próprio hardware não era útil sem computação substancial, "diz ele." A imagem alvo seria enviada para o dispositivo, e então o dispositivo teria que executar alguns algoritmos bastante sofisticados na imagem (em tempo real!) para produzir o melhor contraste de imagem. Realmente instigou em mim a necessidade de co-design de hardware e software, onde você desenvolve óptica, eletrônica e algoritmos ao mesmo tempo para que eles se encaixem da melhor maneira possível. "

Mais recentemente, Heidrich e seus colegas aplicaram a mesma abordagem para imagens computacionais para câmeras. Um grande problema que eles estão abordando, chamada de aberração cromática, será familiar para qualquer pessoa que já tenha tocado com prismas triangulares para produzir um arco-íris - diferentes comprimentos de onda mudam de direção em quantidades variáveis ​​quando são refratados por lentes, resultando em distribuições incorretas de cores nas imagens.

A aberração cromática é um problema ainda maior quando a luz é manipulada por difração, assim, os DOEs sofrem uma perda de fidelidade de cor e embaçamento que depende da distribuição de cor da luz que entra. Para combater isso, Heidrich e seus colegas de trabalho projetaram um fino O DOE leve, chamado acromático difrativo, para equilibrar as contribuições de foco de diferentes comprimentos de onda1. Os resultados dos testes deste novo componente inovador foram publicados na ACM Transactions on Graphics, o principal destino de revistas para estudos de computação gráfica.

"Em uma lente DOE regular, o foco será quase perfeito para um comprimento de onda de design único, e progressivamente turva conforme você se afasta desse comprimento de onda de design, "explica Heidrich." O acromático difrativo sacrifica um pouco de nitidez para o comprimento de onda do projeto em troca de mais nitidez em todos os outros comprimentos de onda. Qualquer desfoque restante pode então ser removido computacionalmente. "

Os pesquisadores aplicaram a mesma combinação de ótica de ponta com algoritmos de computador em um estudo recente publicado em Relatórios Científicos isso pode levar a lentes de zoom extremamente pequenas2. Eles usaram algoritmos computacionais para projetar dois DOEs com formas particulares, de modo que, quando eles são colocados um em cima do outro, eles representam uma lente difrativa com uma distância focal específica.

Em seguida, vem a parte mais inteligente.

"Conforme você gira os dois DOEs em relação um ao outro, o comprimento focal, ou qualquer outro parâmetro do sistema óptico, pode mudar suavemente, "diz Heidrich." Uma aplicação óbvia é produzir lentes de zoom que não exijam que o cilindro da lente se mova dentro e fora da câmera para fazer o zoom. "

Heidrich acredita que o ambiente de pesquisa ativo na KAUST foi inestimável para a busca de seus objetivos recentes. “Consegui montar uma equipe interdisciplinar, para projetos mais ambiciosos que levam nosso co-design de hardware-software para o próximo nível, "ele diz." Além do mais, todos os nossos elementos ópticos difrativos foram construídos no Laboratório Central de Nanofabricação KAUST, o que permitiu tempos de resposta rápidos para os experimentos. "

A imagem computacional ainda está em sua infância, e fornece muitos caminhos que Heidrich e seus colegas de trabalho esperam explorar nos próximos anos. Talvez o mais empolgante, porque DOEs são tão finos, eles não absorvem muita energia da luz à medida que ela passa. Isso significa que os DOEs poderiam, em princípio, ser usado para manipular qualquer parte do espectro eletromagnético, de ondas de rádio a raios gama.