Neste novo método, objetos em diferentes distâncias da lente entrarão em foco em diferentes pontos dentro da câmera. Crédito:Stephen Alvey, Universidade de Michigan
Os pesquisadores demonstraram o uso de empilhados, fotodetectores de grafeno transparente combinados com algoritmos de processamento de imagem para produzir imagens 3-D e detecção de alcance.
Pesquisadores da Universidade de Michigan provaram a viabilidade de uma câmera 3-D que pode fornecer imagens tridimensionais de alta qualidade enquanto determina a distância dos objetos da lente. Esta informação é crítica para imagens biológicas 3-D, robótica, e direção autônoma.
Em vez de usar fotodetectores opacos tradicionalmente usados em câmeras, a câmera proposta usa uma pilha de fotodetectores transparentes feitos de grafeno para capturar e focar simultaneamente em objetos que estão a distâncias diferentes da lente da câmera.
O sistema funciona devido às características únicas do grafeno, que tem apenas uma camada atômica de espessura e absorve apenas cerca de 2,3% da luz. Um par de camadas de grafeno pode ser usado para construir um fotodetector que pode detectar a luz de forma eficiente, mesmo que menos de 5% da luz seja absorvida. Quando colocado em um substrato transparente, em vez de um chip de silício, por exemplo, os detectores podem ser empilhados, com cada um em um plano focal diferente.
Quatro fotodetectores fabricados apoiados em uma folha de papel para ilustrar o alto grau de transparência. Os dois principais dispositivos têm um tamanho de janela transparente de 200 × 200 μm 2 , e os dois inferiores têm um tamanho de janela de 5 × 5 mm 2 .
Conforme descrito pelo Prof. Ted Norris:
"Quando você tem uma câmera, você tem que ter um ajuste de foco em sua lente para que, quando você estiver focalizando em um objeto específico, como o rosto de uma pessoa, os raios de luz que vêm do rosto dessa pessoa são focalizados naquele único plano do chip detector. Os itens na frente ou atrás do objeto estão fora de foco.
Mas se fosse possível empilhar matrizes de detectores diferentes, cada um em planos focais diferentes, então, eles poderiam cada imagem com precisão em um lugar diferente no espaço do objeto simultaneamente. O que mais, se você pode detectar vários planos focais de dados, todos ao mesmo tempo, você pode usar algoritmos para reconstruir o objeto em três dimensões. Isso é chamado de imagem de campo de luz.
Demonstramos como usar pilhas focais transparentes para fazer imagem de campo de luz e reconstrução de imagem. "
Na imagem à esquerda, a bola de basquete da frente está em foco. Na imagem central, a unidade de armazenamento está em foco. A imagem certa mostra uma imagem all-in-focus de dados de campo de luz reconstruídos. Crédito:Universidade de Michigan
Além da identificação básica de objetos, o artigo atual mostra como seu dispositivo pode detectar a distância de algo - tornando-o adequado para aplicações em direção autônoma e robótica. Também é ideal para imagens biológicas nos casos em que é importante o volume tridimensional da imagem.
Para seu sucesso final, o projeto exigia expertise complementar em três áreas. A equipe do Prof. Zhaohui Zhong desenvolveu os dispositivos de grafeno; O grupo de Norris trabalhou nas características de design do instrumento óptico e demonstrou os dispositivos em laboratório; e o grupo do Prof. Jeff Fessler, que desenvolveu o algoritmo de reconstrução de imagem.
Fessler ecoou o outro corpo docente ao declarar o grupo de nove pesquisadores consistindo de professores, pós-doutorandos e alunos "se uniram como uma grande equipe, todos aprendendo uns com os outros e contribuindo com diferentes aspectos do trabalho final. "
A inspiração para a câmera veio de pesquisas anteriores de Zhong e Norris em detectores fotográficos de grafeno altamente sensíveis, publicado em Nature Nanotechnology em 2014.
Demonstração experimental de profundidade usando uma pilha dupla de detectores de grafeno transparentes. As imagens mostram vistas em corte transversal (esquerda) e de cima para baixo (direita) de dois fotodetectores transparentes de grafeno empilhados ao longo da direção de propagação da luz. Crédito:Universidade de Michigan
Os atuais sensores transparentes de grafeno fabricados até agora são de resolução muito baixa para representar imagens, mas os experimentos iniciais mostraram que as lentes focalizavam a luz de uma distância diferente em cada um dos dois sensores.
O trabalho continua no projeto.
O papel, "Imagens de alcance e campo claro com fotodetectores transparentes, "por Miao-Bin Lien, Che-Hung Liu, Il Yong Chun, Saiprasad Ravishankar, Hung Nien, Minmin Zhou, Jeffrey A. Fessler, Zhaohui Zhong, e Theodore B. Norris, foi publicado em Nature Photonics .
