Come saprà chiunque abbia un interesse per la fotografia, per ottenere funzionalità come un potente zoom, di solito hai bisogno di una grande fotocamera. Il motivo è che la maggior parte delle fotocamere si basa sulla rifrazione, per cui la luce che passa attraverso le lenti rallenta e cambia direzione. La focalizzazione di questa luce rifratta richiede una certa quantità di spazio.

Un promettente percorso verso i più piccoli, potenti fotocamere integrate negli smartphone e in altri dispositivi consiste nel progettare elementi ottici che manipolano la luce per diffrazione, ovvero la flessione della luce attorno agli ostacoli o attraverso piccoli spazi vuoti, invece della rifrazione.

Wolfgang Heidrich e i collaboratori del Visual Computing Center di KAUST e dell'Università della British Columbia (UBC) in Canada sono in prima linea nello sviluppo di nuovi elementi ottici diffrattivi (DOE) che possono essere stampati su piccoli, substrati sottili. Il team combina i propri DOE accuratamente progettati con tecniche computazionali avanzate che possono migliorare notevolmente le immagini prodotte da dispositivi ottici così piccoli.

Heidrich è arrivato a KAUST nel 2014 da UBC, dove in precedenza aveva sviluppato display ad altissimo contrasto per televisori.

"Abbiamo sviluppato la prima tecnologia di visualizzazione pronta per il consumatore che aveva un'importante componente computazionale, nel senso che l'hardware stesso non era utile senza un calcolo sostanziale, " dice. "L'immagine di destinazione verrebbe inviata al dispositivo, e quindi il dispositivo dovrebbe eseguire alcuni algoritmi abbastanza sofisticati sull'immagine (in tempo reale!) per produrre il miglior contrasto dell'immagine. Ha davvero instillato in me la necessità di un co-design hardware-software, dove sviluppi l'ottica, elettronica e algoritmi allo stesso tempo in modo che si incastrino nel miglior modo possibile."

Più recentemente, Heidrich e collaboratori hanno applicato lo stesso approccio all'imaging computazionale per le fotocamere. Un grosso problema che stanno affrontando, chiamata aberrazione cromatica, sarà familiare a chiunque abbia giocato con i prismi triangolari per produrre un arcobaleno - lunghezze d'onda diverse cambiano direzione di quantità variabili quando vengono rifratte dalle lenti, con conseguenti distribuzioni di colore errate nelle immagini.

L'aberrazione cromatica è un problema ancora maggiore quando la luce è manipolata dalla diffrazione, quindi i DOE subiscono una perdita di fedeltà del colore e sfocatura che dipende dalla distribuzione del colore della luce in ingresso. Per combattere questo, Heidrich e i suoi collaboratori hanno progettato un sottile, DOE leggero chiamato acromato diffrattivo per bilanciare i contributi di messa a fuoco di diverse lunghezze d'onda1. I risultati del test di questo nuovo componente innovativo sono stati pubblicati in ACM Transactions on Graphics, la principale destinazione di riviste per gli studi di computer grafica.

"In un normale obiettivo DOE, la messa a fuoco sarà quasi perfetta per una singola lunghezza d'onda di progetto, e progressivamente sfocato man mano che ti allontani da quella lunghezza d'onda del design, " spiega Heidrich. "L'acromatico diffrattivo sacrifica un po' di nitidezza per la lunghezza d'onda di progettazione in cambio di una maggiore nitidezza a tutte le altre lunghezze d'onda. Qualsiasi sfocatura residua può quindi essere rimossa a livello di calcolo."

I ricercatori hanno applicato la stessa combinazione di ottiche all'avanguardia con algoritmi informatici in un recente studio pubblicato su Rapporti scientifici che potrebbe portare a obiettivi zoom estremamente piccoli2. Hanno usato algoritmi di calcolo per progettare due DOE con forme particolari, in modo tale che quando vengono posti uno sopra l'altro, rappresentano una lente diffrattiva con una lunghezza focale specifica.

Poi arriva la parte più intelligente.

"Mentre ruoti i due DOE l'uno rispetto all'altro, la lunghezza focale, o qualsiasi altro parametro del sistema ottico, può cambiare facilmente, " dice Heidrich. "Un'applicazione ovvia è quella di produrre obiettivi zoom che non richiedono che il barilotto dell'obiettivo si muova dentro e fuori dalla fotocamera per lo zoom".

Heidrich ritiene che l'ambiente di ricerca attivo presso KAUST sia stato prezioso per perseguire i suoi obiettivi recenti. "Ho potuto mettere insieme un team interdisciplinare, per progetti più ambiziosi che portano il nostro co-design hardware-software a un livello superiore, " dice. "Inoltre, tutti i nostri elementi ottici diffrattivi sono stati costruiti nel KAUST Nanofabrication Core Lab, che ha consentito tempi rapidi per gli esperimenti."

L'imaging computazionale è ancora agli inizi, e fornisce molte strade che Heidrich e i suoi collaboratori sperano di esplorare nei prossimi anni. Forse più eccitante, perché i DOE sono così magri, non assorbono molta energia dalla luce al suo passaggio. Ciò significa che i DOE potrebbero, in linea di principio, essere utilizzato per manipolare qualsiasi parte dello spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi gamma.