Quinhentos milhões de anos atrás, os oceanos fervilhavam com trilhões de trilobitas – criaturas que eram primos distantes dos caranguejos-ferradura. Todos os trilobites tinham uma ampla gama de visão, graças aos olhos compostos – olhos únicos compostos de dezenas a milhares de pequenas unidades independentes, cada uma com sua própria córnea, lente e células sensíveis à luz. Mas um grupo, Dalmanitina socialis, era excepcionalmente perspicaz. Seus olhos bifocais, cada um montado em hastes e compostos de duas lentes que curvavam a luz em diferentes ângulos, permitiam que essas criaturas marinhas vissem simultaneamente presas flutuando nas proximidades, bem como inimigos distantes se aproximando a mais de um quilômetro de distância.
Inspirados nos olhos de D. socialis, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram uma câmera em miniatura com uma lente bifocal com uma profundidade de campo recorde - a distância na qual a câmera pode produzir imagens nítidas em uma única foto. A câmera pode simultaneamente fotografar objetos a uma distância de até 3 centímetros e a uma distância de até 1,7 quilômetros. Eles criaram um algoritmo de computador para corrigir aberrações, aguçar objetos em distâncias intermediárias entre essas distâncias focais próximas e distantes e gerar uma imagem final em foco cobrindo essa enorme profundidade de campo.

Essas câmeras leves e de grande profundidade de campo, que integram tecnologia fotônica em escala nanométrica com fotografia orientada por software, prometem revolucionar os futuros sistemas de imagem de alta resolução. Em particular, as câmeras aumentariam muito a capacidade de produzir imagens altamente detalhadas de paisagens urbanas, grupos de organismos que ocupam um grande campo de visão e outras aplicações fotográficas nas quais objetos próximos e distantes devem ser focalizados com nitidez.

Os pesquisadores do NIST Amit Agrawal e Henri Lezec, juntamente com seus colegas da Universidade de Maryland em College Park e da Universidade de Nanjing, descrevem seu trabalho on-line na edição de 19 de abril da Nature Communications .

Os pesquisadores fabricaram uma série de pequenas lentes conhecidas como metalenses. Estes são filmes ultrafinos gravados ou impressos com agrupamentos de pilares em nanoescala adaptados para manipular a luz de maneiras específicas. Para projetar seus metalenses, Agrawal e seus colegas cravejaram uma superfície plana de vidro com milhões de minúsculos pilares retangulares em escala nanométrica. A forma e a orientação dos nanopilares constituintes focalizavam a luz de tal forma que a metasuperfície atuava simultaneamente como uma lente macro (para objetos próximos) e uma lente telefoto (para objetos distantes).

Especificamente, os nanopilares capturaram a luz de uma cena de interesse, que pode ser dividida em duas partes iguais – luz que é polarizada circularmente à esquerda e polarizada circularmente à direita. (Polarização refere-se à direção do campo elétrico de uma onda de luz; a luz polarizada circularmente à esquerda tem um campo elétrico que gira no sentido anti-horário, enquanto a luz polarizada circularmente à direita tem um campo elétrico que gira no sentido horário.)

Os nanopilares curvaram a luz circularmente polarizada esquerda e direita em diferentes quantidades, dependendo da orientação dos nanopilares. A equipe organizou os nanopilares, que eram retangulares, de modo que parte da luz incidente tivesse que viajar pela parte mais longa do retângulo e parte pela parte mais curta. No caminho mais longo, a luz tinha que passar por mais material e, portanto, experimentava mais flexão. Para o caminho mais curto, a luz tinha menos material para viajar e, portanto, menos curvatura.

A luz que é dobrada em quantidades diferentes é trazida para um foco diferente. Quanto maior a flexão, mais próximo a luz é focalizada. Dessa forma, dependendo se a luz percorreu a parte mais longa ou mais curta dos nanopilares retangulares, o metalens produz imagens tanto de objetos distantes (a 1,7 quilômetros de distância) quanto de objetos próximos (a poucos centímetros).

Sem processamento adicional, no entanto, isso deixaria objetos a distâncias intermediárias (vários metros da câmera) sem foco. Agrawal e seus colegas usaram uma rede neural – um algoritmo de computador que imita o sistema nervoso humano – para ensinar o software a reconhecer e corrigir defeitos como desfoque e aberração de cor nos objetos que residiam a meio caminho entre o foco próximo e distante dos metalens. A equipe testou sua câmera colocando objetos de várias cores, formas e tamanhos em diferentes distâncias em uma cena de interesse e aplicando correção de software para gerar uma imagem final focada e livre de aberrações em toda a faixa de quilômetro de profundidade de campo.

Os metalenses desenvolvidos pela equipe aumentam a capacidade de captação de luz sem sacrificar a resolução da imagem. Além disso, como o sistema corrige automaticamente as aberrações, ele tem uma alta tolerância a erros, permitindo que os pesquisadores usem designs simples e fáceis de fabricar para as lentes em miniatura, disse Agrawal. + Explorar mais

Pesquisadores criam câmera grande angular em miniatura com metalenses planas

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.