Como sabrá cualquier persona interesada en la fotografía, para obtener funciones como un potente zoom, normalmente necesitas una cámara grande. La razón es que la mayoría de las cámaras se basan en la refracción, por lo que la luz que pasa a través de las lentes se ralentiza y cambia de dirección. Enfocar esta luz refractada requiere una cierta cantidad de espacio.

Una ruta prometedora hacia los más pequeños, cámaras potentes integradas en teléfonos inteligentes y otros dispositivos es diseñar elementos ópticos que manipulen la luz por difracción (la curvatura de la luz alrededor de obstáculos o a través de pequeños huecos) en lugar de por refracción.

Wolfgang Heidrich y sus colaboradores en el Visual Computing Center de KAUST y la Universidad de British Columbia (UBC) en Canadá están a la vanguardia del desarrollo de nuevos elementos ópticos difractivos (DOE) que se pueden imprimir en pequeños, sustratos delgados. El equipo combina sus DOE cuidadosamente diseñadas con técnicas computacionales avanzadas que pueden mejorar en gran medida las imágenes producidas por dispositivos ópticos tan pequeños.

Heidrich llegó a KAUST en 2014 procedente de UBC, donde previamente desarrolló pantallas de muy alto contraste para televisores.

"Desarrollamos la primera tecnología de visualización lista para el consumidor que tenía un componente computacional importante, en el sentido de que el hardware en sí no era útil sin un cálculo sustancial, ", dice." La imagen de destino se enviaría al dispositivo, y luego el dispositivo tendría que realizar algunos algoritmos bastante sofisticados en la imagen (¡en tiempo real!) para producir el mejor contraste de imagen. Realmente me inculcó la necesidad de codiseñar hardware-software, donde desarrollas la óptica, electrónica y algoritmos al mismo tiempo para que encajen de la mejor manera posible ".

Más recientemente, Heidrich y sus colaboradores han aplicado el mismo enfoque a las imágenes computacionales para cámaras. Un problema importante que están abordando, llamada aberración cromática, resultará familiar para cualquiera que haya jugado con prismas triangulares para producir un arco iris:las diferentes longitudes de onda cambian de dirección en diferentes cantidades cuando son refractadas por lentes, resultando en distribuciones de color incorrectas en las imágenes.

La aberración cromática es un problema aún mayor cuando la luz es manipulada por difracción, por lo tanto, los DOE sufren una pérdida de fidelidad del color y un efecto borroso que depende de la distribución del color de la luz entrante. Para combatir esto, Heidrich y sus compañeros de trabajo diseñaron un delgado DOE liviano llamado acromático difractivo para equilibrar las contribuciones de enfoque de diferentes longitudes de onda1. Los resultados de las pruebas de este nuevo componente innovador se publicaron en ACM Transactions on Graphics, el principal destino de revistas para estudios de gráficos por computadora.

"En una lente DOE normal, el enfoque será casi perfecto para una sola longitud de onda de diseño, y borroso progresivamente a medida que se aleja de esa longitud de onda de diseño, "explica Heidrich." El acromático difractivo sacrifica un poco de nitidez por la longitud de onda del diseño a cambio de más nitidez en todas las demás longitudes de onda. Cualquier desenfoque restante se puede eliminar computacionalmente ".

Los investigadores aplicaron la misma combinación de óptica de vanguardia con algoritmos informáticos en un estudio reciente publicado en Informes científicos eso podría dar lugar a lentes de zoom extremadamente pequeños2. Utilizaron algoritmos computacionales para diseñar dos DOE con formas particulares, de tal manera que cuando se colocan uno encima del otro, representan una lente difractiva con una distancia focal específica.

Luego viene la parte más inteligente.

"Al rotar los dos DOE entre sí, la distancia focal, o cualquier otro parámetro del sistema óptico, puede cambiar sin problemas, ", dice Heidrich." Una aplicación obvia es producir lentes con zoom que no requieren que el cilindro del objetivo se mueva hacia adentro y hacia afuera de la cámara para hacer zoom ".

Heidrich cree que el entorno de investigación activa en KAUST ha sido invaluable para alcanzar sus objetivos recientes. "He podido armar un equipo interdisciplinario, para proyectos más ambiciosos que lleven nuestro co-diseño de hardware-software al siguiente nivel, ", dice." Además, todos nuestros elementos ópticos difractivos fueron construidos en el Laboratorio de Núcleo de Nanofabricación de KAUST, lo que permitió tiempos de respuesta rápidos para los experimentos ".

La imagenología computacional está todavía en su infancia, y ofrece muchas vías que Heidrich y sus compañeros de trabajo esperan explorar en los próximos años. Quizás lo más emocionante, porque las DOE son tan delgadas, no absorben mucha energía de la luz a su paso. Esto significa que las DOE podrían, en principio, ser utilizado para manipular cualquier parte del espectro electromagnético, desde ondas de radio hasta rayos gamma.