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 amplia, imágenes con forma de burbuja. Su esférico, El diseño 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 la primera lente ojo de pez plana que produce imágenes nítidas, Imágenes panorámicas 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 ojo de pez consta de una sola lente plana, Pieza de vidrio de un milímetro de espesor cubierta en un lado con estructuras diminutas que dispersan con precisión la luz entrante para producir imágenes panorámicas. como una curva convencional, El conjunto de lentes de ojo de pez de varios elementos lo haría. 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 a una amplia gama de aplicaciones, con delgado, Lentes ultra gran angular integradas directamente en teléfonos inteligentes y computadoras portátiles, en lugar de adjuntarlos físicamente como complementos voluminosos. Las lentes de perfil bajo también pueden integrarse en dispositivos de imágenes médicas como endoscopios, así como en gafas de realidad virtual, electrónica portátil, y otros dispositivos de visión por computadora.

"Este diseño es una sorpresa, 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 hoy sus resultados en la revista. Nano letras . Los coautores de Hu en el MIT son Mikhail Shalaginov, Fan Yang, Peter Su, Dominika Lyzwa, Anuradha Agarwal, y Tian Gu, junto con Sensong An y Hualiang Zhang de UMass Lowell.

Diseño en la parte trasera.

Metalentes, aún en gran parte en una etapa experimental, tienen el potencial de remodelar significativamente el campo de la óptica. Previamente, Los científicos han diseñado metalentes que producen imágenes de alta resolución y relativamente gran angular de hasta 60 grados. Para ampliar aún más el campo de visión, tradicionalmente se requerirían componentes ópticos adicionales para corregir las aberraciones, o borrosidad:una solución alternativa 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 número 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 la 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 propagarse de una forma a otra, un fenómeno conocido como retardo de fase.

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

'Hemos diseñado las estructuras de la parte trasera de tal manera que cada parte puede producir un enfoque perfecto, "Hu dice.

En el anverso el equipo colocó una apertura óptica, o abrirse a la luz.

"Cuando la luz entra por esta abertura, se refractará en la primera superficie del vidrio, y luego se dispersará angularmente, ", Explica Shalaginov." La luz incidirá en diferentes partes de la parte trasera, desde ángulos diferentes pero continuos. Siempre que diseñe la parte posterior correctamente, puede estar seguro de que obtendrá 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 descubrió que la nueva lente producía imágenes de las rayas 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, usando nuestros métodos, "Dice Gu.

En otro estudio, El equipo diseñó las metalentes para operar en una longitud de onda del infrarrojo cercano utilizando nanopostes de silicio amorfo como metaátomos. Conectaron las metalentes en una simulación utilizada para probar instrumentos de imágenes. Próximo, alimentaron la simulación una escena de París, compuesto por imágenes en blanco y negro unidas para crear una vista panorámica. Luego ejecutaron la simulación para ver qué tipo de imagen produciría la nueva lente.

"La pregunta clave era:¿El objetivo cubre todo el campo de visión? Y vemos que captura todo en el panorama, "Gu dice" Puedes ver edificios y personas, y la resolución es muy buena, independientemente de si estás mirando al centro o a 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 luz visible, por ejemplo, Hu dice que es posible que las características ópticas deban 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 los teléfonos inteligentes, laptops, y dispositivos portátiles.

"En la actualidad, todos los sensores 3-D tienen un campo de visión limitado, por eso, cuando apartas la cara de tu teléfono inteligente, no te reconocerá, "Gu dice." Lo que tenemos aquí es un nuevo sensor 3-D que permite la creación de perfiles de profundidad panorámica, que podría ser útil para los dispositivos electrónicos de consumo ".