Las metalentes del equipo de la Universidad de Washington consisten en matrices de pequeños pilares de nitruro de silicio sobre vidrio que afectan la forma en que la luz interactúa con la superficie. Dependiendo del tamaño y disposición de estos pilares, Se pueden diseñar lentes microscópicas con diferentes propiedades. Un metalens tradicional (arriba) exhibe cambios en la distancia focal para diferentes longitudes de onda de luz, produciendo imágenes con mucho desenfoque de color. El diseño de metalentes modificado del equipo de la UW (abajo), sin embargo, interactúa con diferentes longitudes de onda de la misma manera, generando imágenes uniformemente borrosas que permiten una corrección de software simple y rápida para recuperar imágenes nítidas y enfocadas. Crédito:Shane Colburn / Alan Zhan / Arka Majumdar
Para fotógrafos y científicos, las lentes son salvavidas. Reflejan y refractan la luz, haciendo posible los sistemas de imágenes que impulsan el descubrimiento a través del microscopio y preservan la historia a través de cámaras.
Pero los lentes de vidrio de hoy en día son voluminosos y resisten la miniaturización. Tecnologías de próxima generación, como cámaras ultrafinas o microscopios diminutos, requieren lentes hechos de una nueva variedad de materiales.
En un artículo publicado el 9 de febrero en Avances de la ciencia , Los científicos de la Universidad de Washington anunciaron que han combinado con éxito dos métodos de imágenes diferentes:un tipo de lente diseñada para la interacción a nanoescala con ondas de luz, junto con un sólido procesamiento computacional, para crear imágenes a todo color.
La lente ultrafina del equipo es parte de una clase de objetos diseñados conocidos como metasuperficies. Las metamateriales son análogos bidimensionales de los metamateriales, que son materiales manufacturados con propiedades físicas y químicas que normalmente no se encuentran en la naturaleza. Una lente basada en metasuperficie, o metalente, consiste en superficies planas de material con patrones microscópicos diseñadas para interactuar con las ondas de luz. Hasta la fecha, las imágenes tomadas con metalentes producen imágenes claras, en el mejor de los casos, solo para pequeñas porciones del espectro visual. Pero las metalentes del equipo de la UW, junto con el filtrado computacional, producen imágenes a todo color con niveles muy bajos de aberraciones en todo el espectro visual.
"Nuestro enfoque combina los mejores aspectos de las metalentes con imágenes computacionales, lo que nos permite, por primera vez, para producir imágenes a todo color con alta eficiencia, "dijo el autor principal Arka Majumdar, un profesor asistente de la UW de física e ingeniería eléctrica.
Parte de la configuración experimental del equipo para capturar una imagen usando un metalente. Los investigadores capturan una imagen de flores a través de una metalens (montada en un portaobjetos de microscopio) y la visualizan a través de un microscopio. Crédito:Matt Hagen / UW Clean Energy Institute
En lugar de vidrio o silicona fabricados, Las metalentes consisten en matrices repetidas de estructuras a escala nanométrica, como columnas o aletas. Si se coloca correctamente en estas escalas minúsculas, estas estructuras pueden interactuar con ondas de luz individuales con una precisión que los lentes tradicionales no pueden. Dado que las metalentes también son tan pequeñas y delgadas, ocupan mucho menos espacio que los voluminosos objetivos de las cámaras y los microscopios de alta resolución. Las metalentes se fabrican mediante el mismo tipo de proceso de fabricación de semiconductores que se utiliza para fabricar chips de computadora.
"Las metalentes son herramientas potencialmente valiosas en la obtención de imágenes ópticas, ya que pueden diseñarse y construirse para funcionar bien para una longitud de onda de luz determinada, "dijo el autor principal Shane Colburn, un estudiante de doctorado de la UW en ingeniería eléctrica. "Pero ese también ha sido su inconveniente:cada tipo de metalente solo funciona mejor dentro de un rango estrecho de longitud de onda".
En experimentos que producen imágenes con metalentes, el rango de longitud de onda óptimo hasta ahora ha sido muy estrecho:en el mejor de los casos alrededor de 60 nanómetros de ancho con alta eficiencia. Pero el espectro visual tiene 300 nanómetros de ancho.
Los metalentes de hoy en día suelen producir imágenes precisas dentro de su rango óptimo estrecho, como una imagen completamente verde o una imagen completamente roja. Para escenas que incluyen colores fuera de ese rango óptimo, las imágenes aparecen borrosas, con mala resolución y otros defectos conocidos como "aberraciones cromáticas". Por una rosa en un jarrón azul un metalente optimizado para rojo podría recoger los pétalos rojos de la rosa con pocas aberraciones, pero el tallo verde y el jarrón azul serían manchas sin resolver, con altos niveles de aberraciones cromáticas.
Majumdar y su equipo plantearon la hipótesis de que, si un solo metalente pudiera producir un tipo consistente de aberración visual en una imagen en todas las longitudes de onda visibles, luego podrían resolver las aberraciones para todas las longitudes de onda utilizando algoritmos de filtrado computacional. Por la rosa en el jarrón azul este tipo de metalentes capturaría una imagen de la rosa roja, jarrón azul y tallo verde, todos con tipos similares de aberraciones cromáticas, que podría abordarse posteriormente mediante filtrado computacional.
Las metalentes del equipo de la UW, junto con el procesamiento computacional, puede capturar imágenes para una variedad de longitudes de onda de luz con niveles muy bajos de aberraciones cromáticas. Para esta imagen en blanco y negro de la Mona Lisa (arriba), la primera fila muestra qué tan bien un metalente optimizado para verde captura la imagen para la luz verde, pero provoca una gran borrosidad en las longitudes de onda azul y roja. Las metalentes mejoradas del equipo de la UW (segunda fila) capturan imágenes con tipos similares de aberraciones para el azul, longitudes de onda verde y roja, mostrando un desenfoque uniforme en las longitudes de onda. Pero el filtrado computacional elimina la mayoría de estas aberraciones, como se muestra en la fila inferior, que es una mejora sustancial con respecto a un metalente tradicional (primera fila), que solo está enfocado para la luz verde y es ininteligible para el azul y el rojo. Crédito:Shane Colburn / Alan Zhan / Arka Majumdar
Diseñaron y construyeron una metalente cuya superficie estaba cubierta por diminutos, columnas de nitruro de silicio de nanómetros de ancho. Estas columnas eran lo suficientemente pequeñas como para difractar la luz en todo el espectro visual, que abarca longitudes de onda que van desde 400 a 700 nanómetros.
Críticamente, los investigadores diseñaron la disposición y el tamaño de las columnas de nitruro de silicio en las metalentes para que exhibieran una "función de dispersión de puntos espectralmente invariante". Esencialmente, esta característica asegura que, para todo el espectro visual, la imagen contenga aberraciones que pueden describirse con el mismo tipo de fórmula matemática. Dado que esta fórmula sería la misma independientemente de la longitud de onda de la luz, los investigadores podrían aplicar el mismo tipo de procesamiento computacional para "corregir" las aberraciones.
Luego construyeron un prototipo de metalentes basado en su diseño y probaron qué tan bien funcionaban las metalentes cuando se combinaban con el procesamiento computacional. Una medida estándar de la calidad de la imagen es la "similitud estructural", una métrica que describe qué tan bien comparten luminosidad dos imágenes de la misma escena, estructura y contraste. Cuanto mayores sean las aberraciones cromáticas en una imagen, menor será la similitud estructural que tendrá con la otra imagen. El equipo de la UW descubrió que cuando usaban metalentes convencionales, lograron una similitud estructural del 74,8 por ciento al comparar imágenes rojas y azules del mismo patrón; sin embargo, al utilizar su nuevo diseño de metalentes y procesamiento computacional, la similitud estructural se elevó al 95,6 por ciento. Sin embargo, el grosor total de su sistema de imágenes es de 200 micrómetros, que es aproximadamente 2, 000 veces más delgadas que las cámaras de los teléfonos móviles actuales.
"Esta es una mejora sustancial en el rendimiento de metalentes para imágenes a todo color, particularmente para eliminar aberraciones cromáticas, "dijo el coautor Alan Zhan, un estudiante de doctorado en física de la UW.
Además, a diferencia de muchos otros sistemas de imágenes basados en metasuperficies, El enfoque del equipo de la UW no se ve afectado por el estado de polarización de la luz, que se refiere a la orientación del campo eléctrico en el espacio 3-D en el que viajan las ondas de luz.
El equipo dijo que su método debería servir como una hoja de ruta para hacer una metalente y diseñar pasos de procesamiento computacional adicionales que puedan capturar la luz de manera más efectiva. así como agudizar el contraste y mejorar la resolución. Eso puede traer diminuto sistemas de imágenes de próxima generación al alcance.
