Construyen una lente ojo de pez que es completamente plana

Investigadores del MIT han diseñado una lente gran angular que es completamente plana. Es el primer objetivo de ojo de pez plano que produce imágenes panorámicas nítidas de 180 grados

Ilustración artística en 3D de las metalentes de campo de visión amplio que capturan un panorama de 180 ° de Killian Court del MIT y producen una imagen plana monocromática de alta resolución ". Créditos:Imagen: Mikhail Shalaginov, Tian Gu, Christine Daniloff, Felice Hankel, Juejun Hu

Para capturar vistas panorámicas en una sola toma, los fotógrafos suelen utilizar lentes de ojo de pez: lentes de gran angular fabricados con varias piezas de vidrio curvo, que distorsionan la luz entrante para producir imágenes anchas como burbujas. Su diseño esférico de varias piezas hace que las lentes de ojo de pez sean inherentemente voluminosas y, a menudo, costosas de producir.


Ahora, los ingenieros del MIT y la Universidad de Massachusetts en Lowell han diseñado una lente gran angular que es completamente plana. Es el primer objetivo de ojo de pez plano que produce imágenes panorámicas nítidas de 180 grados. El diseño es un tipo de "metalentes", un material delgado como una oblea con un patrón de características microscópicas que trabajan juntas para manipular la luz de una manera específica.


En este caso, la nueva lente de ojo de pez consiste en una sola pieza de vidrio plana, de un milímetro de espesor, cubierta en un lado con estructuras diminutas que dispersan con precisión la luz entrante para producir imágenes panorámicas, tal como lo haría un conjunto de lentes de ojo de pez multielemento curvo convencional. La lente funciona en la parte infrarroja del espectro, pero los investigadores dicen que podría modificarse para capturar imágenes utilizando también luz visible.


El nuevo diseño podría adaptarse potencialmente para una variedad de aplicaciones, con lentes delgadas de gran angular integradas directamente en teléfonos inteligentes y computadoras portátiles, en lugar de adjuntarlas físicamente como complementos voluminosos. Las lentes de bajo perfil también pueden integrarse en dispositivos de imágenes médicas como endoscopios, así como en gafas de realidad virtual, dispositivos electrónicos portátiles y otros dispositivos de visión por computadora.


"Este diseño es algo sorprendente, porque algunos han pensado que sería imposible hacer una metalente con una vista de campo ultra amplio", dice Juejun Hu, profesor asociado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT. “El hecho de que esto realmente pueda realizar imágenes de ojo de pez está completamente fuera de lo esperado. Esto no es solo una ligera flexión, es alucinante ".


Hu y sus colegas han publicado sus resultados en la revista Nano Letters.



Diseño en la parte trasera


Los metalentes, aunque todavía se encuentran en una etapa experimental, tienen el potencial de remodelar significativamente el campo de la óptica. Anteriormente, los científicos han diseñado metalentes que producen imágenes de alta resolución y relativamente gran angular de hasta 60 grados. Para expandir aún más el campo de visión, tradicionalmente se requerirían componentes ópticos adicionales para corregir las aberraciones o la borrosidad, una solución que agregaría volumen al diseño de metalentes.


En cambio, Hu y sus colegas idearon un diseño simple que no requiere componentes adicionales y mantiene un recuento mínimo de elementos. Su nuevo metalente es una sola pieza transparente hecha de fluoruro de calcio con una fina película de telururo de plomo depositada en un lado. Luego, el equipo utilizó técnicas litográficas para tallar un patrón de estructuras ópticas en la película.


Cada estructura, o "meta-átomo", como los llama el equipo, tiene una forma de una de varias geometrías a nanoescala, como una configuración rectangular o en forma de hueso, que refracta la luz de una manera específica. Por ejemplo, la luz puede tardar más en dispersarse o en propagarse de una forma a otra, un fenómeno conocido como retardo de fase.


En las lentes de ojo de pez convencionales, la curvatura del vidrio crea naturalmente una distribución de retrasos de fase que finalmente produce una imagen panorámica. El equipo determinó el patrón correspondiente de meta-átomos y talló este patrón en la parte posterior del vidrio plano.


"Hemos diseñado las estructuras del lado posterior de tal manera que cada parte puede producir un enfoque perfecto", dice Hu.

En la parte frontal, el equipo colocó una apertura óptica o apertura para la luz.


"Cuando la luz entra a través de esta apertura, se refracta en la primera superficie del vidrio y luego se dispersa angularmente", explica Shalaginov. "La luz entonces incidirá en diferentes partes de la parte trasera, desde ángulos diferentes pero continuos. Siempre que diseñe la parte trasera correctamente, puede estar seguro de obtener imágenes de alta calidad en toda la vista panorámica".


Al otro lado del panorama


En una demostración, la nueva lente está ajustada para operar en la región del infrarrojo medio del espectro. El equipo utilizó la configuración de imágenes equipada con metalentes para tomar fotografías de un objetivo rayado. Luego compararon la calidad de las imágenes tomadas en varios ángulos a lo largo de la escena y encontraron que la nueva lente producía imágenes de las rayas que eran nítidas y claras, incluso en los bordes de la vista de la cámara, abarcando casi 180 grados.


"Demuestra que podemos lograr un rendimiento de imagen perfecto en casi toda la vista de 180 grados, utilizando nuestros métodos", dice Gu.


En otro estudio, el equipo diseñó las metalentes para operar en una longitud de onda del infrarrojo cercano utilizando nano postes de silicio amorfo como meta-átomos. Conectaron las metalentes en una simulación utilizada para probar instrumentos de imágenes. A continuación, alimentaron la simulación con una escena de París, compuesta por imágenes en blanco y negro unidas para hacer una vista panorámica. Luego ejecutaron la simulación para ver qué tipo de imagen produciría la nueva lente.


"La pregunta clave era, ¿la lente cubre todo el campo de visión? Y vemos que captura todo en el panorama", dice Gu. "Puedes ver edificios y personas, y la resolución es muy buena, sin importar si miras el centro o los bordes".


El equipo dice que la nueva lente se puede adaptar a otras longitudes de onda de luz. Para hacer una lente de ojo de pez plana similar para la luz visible, por ejemplo, Hu dice que es posible que las características ópticas tengan que hacerse más pequeñas de lo que son ahora, para refractar mejor ese rango particular de longitudes de onda. El material de la lente también tendría que cambiar. Pero la arquitectura general que ha diseñado el equipo seguirá siendo la misma.


Los investigadores están explorando aplicaciones para su nueva lente, no solo como cámaras compactas de ojo de pez, sino también como proyectores panorámicos, así como sensores de profundidad integrados directamente en teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y dispositivos portátiles.


"Actualmente, todos los sensores 3D tienen un campo de visión limitado, por lo que cuando aparta la cara de su teléfono inteligente, no lo reconoce", dice Gu. "Lo que tenemos aquí es un nuevo sensor 3D que permite la creación de perfiles de profundidad panorámica, lo que podría ser útil para dispositivos electrónicos de consumo".





Fuente: MIT

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