Para capturar vistas panorâmicas em uma única foto, os fotógrafos geralmente usam lentes olho de peixe - lentes ultra grande angular feitas de várias peças de vidro curvo, que distorce a luz que entra para produzir ampla, imagens semelhantes a bolhas. Seu esférico, o design com várias peças torna as lentes olho de peixe inerentemente volumosas e frequentemente caras de produzir.

Agora, os engenheiros do MIT e da Universidade de Massachusetts em Lowell projetaram uma lente grande angular que é completamente plana. É a primeira lente olho de peixe plana a produzir nítido, Imagens panorâmicas de 180 graus. O design é um tipo de "metalens, "um material fino como uma bolacha padronizado com características microscópicas que trabalham juntas para manipular a luz de uma maneira específica.

Nesse caso, a nova lente olho de peixe consiste em um único plano, pedaço de vidro de um milímetro coberto de um lado com estruturas minúsculas que espalham com precisão a luz que entra para produzir imagens panorâmicas, assim como uma curva convencional, conjunto de lente fisheye multielement. A lente funciona na parte infravermelha do espectro, mas os pesquisadores dizem que pode ser modificado para capturar imagens usando luz visível também.

O novo design pode ser adaptado para uma variedade de aplicações, com fino, lentes ultra grande angulares integradas diretamente em smartphones e laptops, em vez de fisicamente anexados como complementos volumosos. As lentes de baixo perfil também podem ser integradas em dispositivos de imagens médicas, como endoscópios, bem como em óculos de realidade virtual, eletrônicos vestíveis, e outros dispositivos de visão computacional.

"Este design é uma surpresa, porque alguns pensaram que seria impossível fazer um metalens com uma visão de campo ultralargo, "diz Juejun Hu, professor associado do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT. "O fato de que isso pode realmente gerar imagens fisheye está completamente fora das expectativas.

Isso não é apenas dobrar a luz - é dobrar a mente. "

Hu e seus colegas publicaram seus resultados hoje na revista Nano Letras . Os co-autores do MIT de Hu são Mikhail Shalaginov, Fan Yang, Peter Su, Dominika Lyzwa, Anuradha Agarwal, e Tian Gu, junto com Sensong An e Hualiang Zhang da UMass Lowell.

Design na parte de trás

Metalenses, enquanto ainda está em fase experimental, têm o potencial de remodelar significativamente o campo da óptica. Anteriormente, cientistas projetaram metalenses que produzem imagens de alta resolução e relativamente grande angular de até 60 graus. Expandir o campo de visão ainda mais exigiria tradicionalmente componentes ópticos adicionais para corrigir as aberrações, ou borrão - uma solução alternativa que adicionaria volume a um design de metalens.

Em vez disso, Hu e seus colegas criaram um design simples que não requer componentes adicionais e mantém uma contagem mínima de elementos. Seu novo metalens é uma única peça transparente feita de fluoreto de cálcio com uma fina película de telureto de chumbo depositada em um dos lados. A equipe então usou técnicas litográficas para esculpir um padrão de estruturas ópticas no filme.

Cada estrutura, ou "meta-átomo, "como a equipe se refere a eles, é moldado em uma das várias geometrias em nanoescala, como uma configuração retangular ou em forma de osso, que refrata a luz de uma maneira específica. Por exemplo, a luz pode demorar mais para se espalhar, ou se propagam de uma forma contra outra - um fenômeno conhecido como atraso de fase.

Em lentes fisheye convencionais, a curvatura do vidro cria naturalmente uma distribuição de atrasos de fase que, em última análise, produz uma imagem panorâmica. A equipe determinou o padrão correspondente de meta-átomos e esculpiu esse padrão na parte de trás do vidro plano.

'Projetamos as estruturas do lado posterior de forma que cada parte possa produzir um foco perfeito, "Hu diz.

Na parte da frente, a equipe colocou uma abertura óptica, ou abertura para luz.

"Quando a luz entra por esta abertura, ele irá refratar na primeira superfície do vidro, e então será disperso angularmente, "Shalaginov explica." A luz então atingirá diferentes partes da parte traseira, de ângulos diferentes, mas contínuos. Contanto que você projete o verso corretamente, você pode ter certeza de obter imagens de alta qualidade em toda a vista panorâmica. "

Do outro lado do panorama

Em uma demonstração, a nova lente é ajustada para operar na região do infravermelho médio do espectro. A equipe usou a configuração de imagem equipada com metalens para tirar fotos de um alvo listrado. Eles então compararam a qualidade das fotos tiradas em vários ângulos da cena, e descobri que a nova lente produzia imagens das listras nítidas e claras, mesmo nas bordas da visão da câmera, medindo quase 180 graus.

"Isso mostra que podemos alcançar um desempenho de imagem perfeito em quase toda a visão de 180 graus, usando nossos métodos, "Gu diz.

Em outro estudo, a equipe projetou os metalens para operar em um comprimento de onda próximo ao infravermelho usando nanoposts de silício amorfo como meta-átomos. Eles conectaram os metalens em uma simulação usada para testar instrumentos de imagem. Próximo, eles alimentaram a simulação com uma cena de Paris, composto por imagens em preto e branco costuradas para fazer uma vista panorâmica. Eles então executaram a simulação para ver que tipo de imagem a nova lente produziria.

"A questão chave era, a lente cobre todo o campo de visão? E vemos que ele captura tudo em todo o panorama, "Gu diz." Você pode ver edifícios e pessoas, e a resolução é muito boa, independentemente de você estar olhando para o centro ou para as bordas. "

A equipe diz que a nova lente pode ser adaptada a outros comprimentos de onda de luz. Para fazer uma lente olho de peixe plana semelhante para luz visível, por exemplo, Hu diz que os recursos ópticos podem ter que ser menores do que são agora, para melhor refratar essa faixa particular de comprimentos de onda. O material da lente também teria que mudar. Mas a arquitetura geral que a equipe projetou permaneceria a mesma.

Os pesquisadores estão explorando aplicações para suas novas lentes, não apenas câmeras fisheye compactas, mas também como projetores panorâmicos, bem como sensores de profundidade integrados diretamente em smartphones, laptops, e dispositivos vestíveis.

"Atualmente, todos os sensores 3-D têm um campo de visão limitado, é por isso que quando você afasta o rosto do smartphone, não vai te reconhecer, "Gu diz." O que temos aqui é um novo sensor 3-D que permite perfis panorâmicos de profundidade, que pode ser útil para dispositivos eletrônicos de consumo. "