Inspirándose en las criaturas prehistóricas, los investigadores crean lentes que baten récords

Inspirándose en los ojos compuestos de una especie de trilobites, los investigadores del NIST desarrollaron un metalens que puede visualizar simultáneamente objetos cercanos y lejanos. Esta ilustración muestra la estructura de la lente de un trilobites extinto. Crédito:NIST

Hace quinientos millones de años, los océanos estaban repletos de billones de trilobites, criaturas que eran primos lejanos de los cangrejos herradura. Todos los trilobites tenían un amplio rango de visión, gracias a los ojos compuestos:ojos únicos compuestos de decenas a miles de pequeñas unidades independientes, cada una con su propia córnea, cristalino y células sensibles a la luz. Pero un grupo, Dalmanitina socialis, fue excepcionalmente previsor. Sus ojos bifocales, cada uno montado sobre tallos y compuestos por dos lentes que desvían la luz en diferentes ángulos, permitieron a estas criaturas marinas ver simultáneamente presas flotando cerca y enemigos distantes acercándose a más de un kilómetro de distancia.

Inspirándose en los ojos de D. socialis, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado una cámara en miniatura con una lente bifocal con una profundidad de campo sin precedentes:la distancia en la que la cámara puede producir imágenes nítidas en una sola foto La cámara puede tomar imágenes simultáneamente de objetos tan cerca como 3 centímetros y tan lejos como 1,7 kilómetros. Idearon un algoritmo informático para corregir las aberraciones, enfocar objetos a distancias intermedias entre estas distancias focales cercanas y lejanas y generar una imagen final enfocada que cubriera esta enorme profundidad de campo.

Estas cámaras ligeras de gran profundidad de campo, que integran tecnología fotónica a escala nanométrica con fotografía basada en software, prometen revolucionar los futuros sistemas de imágenes de alta resolución. En particular, las cámaras aumentarían en gran medida la capacidad de producir imágenes muy detalladas de paisajes urbanos, grupos de organismos que ocupan un gran campo de visión y otras aplicaciones fotográficas en las que los objetos cercanos y lejanos deben enfocarse nítidamente.

Imagen de microscopio electrónico de barrido de los nanopilares de óxido de titanio que forman los metalens. La escala es de 500 nanómetros (nm). Crédito:NIST

Los investigadores del NIST Amit Agrawal y Henri Lezec, junto con sus colegas de la Universidad de Maryland en College Park y la Universidad de Nanjing, describen su trabajo en línea en la edición del 19 de abril de Nature Communications .

Los investigadores fabricaron una serie de lentes diminutas conocidas como metalenses. Estas son películas ultrafinas grabadas o impresas con grupos de pilares a nanoescala diseñados para manipular la luz de formas específicas. Para diseñar sus metalenses, Agrawal y sus colegas tachonaron una superficie plana de vidrio con millones de diminutos pilares rectangulares de escala nanométrica. La forma y la orientación de los nanopilares constituyentes enfocaban la luz de tal manera que la metasuperficie actuaba simultáneamente como lente macro (para objetos de primer plano) y lente teleobjetivo (para objetos distantes).

Específicamente, los nanopilares capturaron la luz de una escena de interés, que se puede dividir en dos partes iguales:luz polarizada circularmente a la izquierda y polarizada circularmente a la derecha. (La polarización se refiere a la dirección del campo eléctrico de una onda de luz; la luz polarizada circularmente a la izquierda tiene un campo eléctrico que gira en sentido contrario a las agujas del reloj, mientras que la luz polarizada circularmente a la derecha tiene un campo eléctrico que gira en el sentido de las agujas del reloj).

Los nanopilares doblaron la luz polarizada circularmente izquierda y derecha en diferentes cantidades, dependiendo de la orientación de los nanopilares. El equipo dispuso los nanopilares, que eran rectangulares, de modo que parte de la luz entrante tuviera que viajar a través de la parte más larga del rectángulo y otra parte a través de la parte más corta. En el camino más largo, la luz tuvo que atravesar más material y, por lo tanto, experimentó más curvatura. Para el camino más corto, la luz tenía menos material para viajar y, por lo tanto, menos curvatura.

Ilustración de cómo el metalens modelado en la lente compuesta de un trilobite enfoca simultáneamente el objeto tanto cerca (conejo) como lejos (árbol). Crédito:S. Kelley/NIST

La luz que se desvía en diferentes cantidades se lleva a un foco diferente. Cuanto mayor sea la flexión, más cerca se enfoca la luz. De esta forma, dependiendo de si la luz viajó por la parte más larga o más corta de los nanopilares rectangulares, el metalens produce imágenes tanto de objetos lejanos (a 1,7 kilómetros) como cercanos (a unos pocos centímetros).

Sin embargo, sin más procesamiento, eso dejaría objetos a distancias intermedias (varios metros de la cámara) desenfocados. Agrawal y sus colegas utilizaron una red neuronal, un algoritmo informático que imita el sistema nervioso humano, para enseñar al software a reconocer y corregir defectos como la borrosidad y la aberración de color en los objetos que residían a medio camino entre el foco cercano y lejano de los metalens. El equipo probó su cámara colocando objetos de varios colores, formas y tamaños a diferentes distancias en una escena de interés y aplicando corrección de software para generar una imagen final enfocada y libre de aberraciones en todo el rango de kilómetros de profundidad de campo.

Los metalenses desarrollados por el equipo aumentan la capacidad de captación de luz sin sacrificar la resolución de la imagen. Además, debido a que el sistema corrige automáticamente las aberraciones, tiene una alta tolerancia al error, lo que permite a los investigadores usar diseños simples y fáciles de fabricar para las lentes en miniatura, dijo Agrawal. + Explora más