Per acquisire viste panoramiche in un unico scatto, i fotografi in genere utilizzano obiettivi fisheye:obiettivi ultragrandangolari realizzati con più pezzi di vetro curvo, che distorcono la luce in ingresso per produrre ampie, immagini simili a bolle. Il loro sferico, il design multipezzo rende gli obiettivi fisheye intrinsecamente ingombranti e spesso costosi da produrre.

Ora gli ingegneri del MIT e dell'Università del Massachusetts a Lowell hanno progettato un obiettivo grandangolare completamente piatto. È il primo obiettivo fisheye piatto a produrre immagini nitide, Immagini panoramiche a 180 gradi. Il design è un tipo di "metalens, " un materiale sottilissimo modellato con caratteristiche microscopiche che lavorano insieme per manipolare la luce in un modo specifico.

In questo caso, il nuovo obiettivo fisheye è costituito da un unico piatto, pezzo di vetro sottile un millimetro ricoperto su un lato da minuscole strutture che diffondono con precisione la luce in entrata per produrre immagini panoramiche, proprio come una curva convenzionale, il montaggio dell'obiettivo fisheye multielemento lo farebbe. L'obiettivo funziona nella parte infrarossa dello spettro, ma i ricercatori dicono che potrebbe essere modificato per catturare immagini anche usando la luce visibile.

Il nuovo design potrebbe potenzialmente essere adattato per una vasta gamma di applicazioni, con sottile, obiettivi ultragrandangolari integrati direttamente in smartphone e laptop, piuttosto che attaccati fisicamente come componenti aggiuntivi ingombranti. Le lenti a basso profilo potrebbero anche essere integrate in dispositivi di imaging medico come endoscopi, così come negli occhiali per realtà virtuale, elettronica indossabile, e altri dispositivi di visione artificiale.

"Questo design è un po' una sorpresa, perché alcuni hanno pensato che sarebbe stato impossibile realizzare un metalens con una vista a campo ultra ampio, "dice Juejun Hu, professore associato presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT. "Il fatto che questo possa effettivamente realizzare immagini fisheye è completamente al di fuori delle aspettative.

Non si tratta solo di piegare la luce, è di piegare la mente".

Hu e i suoi colleghi hanno pubblicato oggi i loro risultati sulla rivista Nano lettere . I coautori di Hu al MIT sono Mikhail Shalaginov, Fan Yang, Pietro Su, Dominika Lyzwa, Anuradha Agarwal, e Tian Gu, insieme a Sensong An e Hualiang Zhang di UMass Lowell.

Design sul retro

Metalli, pur essendo ancora in gran parte in fase sperimentale, hanno il potenziale per rimodellare in modo significativo il campo dell'ottica. In precedenza, gli scienziati hanno progettato metalenses che producono immagini ad alta risoluzione e relativamente grandangolari fino a 60 gradi. Per espandere ulteriormente il campo visivo tradizionalmente sarebbero necessari componenti ottici aggiuntivi per correggere le aberrazioni, o sfocatura, una soluzione alternativa che aggiungerebbe volume a un design in metallo.

Hu e i suoi colleghi hanno invece ideato un design semplice che non richiede componenti aggiuntivi e mantiene un numero minimo di elementi. Il loro nuovo metallo è un unico pezzo trasparente fatto di fluoruro di calcio con un sottile film di tellururo di piombo depositato su un lato. Il team ha quindi utilizzato tecniche litografiche per incidere uno schema di strutture ottiche nel film.

Ogni struttura, o "meta-atomo, "come li chiama la squadra, è modellato in una delle numerose geometrie su scala nanometrica, come una configurazione rettangolare o a forma di osso, che rifrange la luce in un modo specifico. Ad esempio, la luce potrebbe impiegare più tempo a disperdersi, o propagarsi da una forma rispetto a un'altra, un fenomeno noto come ritardo di fase.

Negli obiettivi fisheye convenzionali, la curvatura del vetro crea naturalmente una distribuzione di ritardi di fase che alla fine produce un'immagine panoramica. Il team ha determinato il modello corrispondente di meta-atomi e ha inciso questo modello sul lato posteriore del vetro piatto.

'Abbiamo progettato le strutture del lato posteriore in modo tale che ogni parte possa produrre una messa a fuoco perfetta, " dice Hu.

Sul lato anteriore, il team ha posizionato un'apertura ottica, o apertura per la luce.

"Quando la luce entra attraverso questa apertura, si rifrangerà sulla prima superficie del vetro, e poi si disperderà angolarmente, "Spiega Shalaginov. "La luce poi colpirà diverse parti della parte posteriore, da angolazioni diverse eppure continue. Finché si progetta correttamente il lato posteriore, puoi essere certo di ottenere immagini di alta qualità su tutta la vista panoramica."

Attraverso il panorama

In una dimostrazione, la nuova lente è sintonizzata per operare nella regione del medio infrarosso dello spettro. Il team ha utilizzato la configurazione di imaging equipaggiata con i metalli per scattare foto di un bersaglio a strisce. Hanno quindi confrontato la qualità delle immagini scattate da varie angolazioni della scena, e ho scoperto che il nuovo obiettivo produceva immagini delle strisce nitide e chiare, anche ai bordi della visuale della telecamera, che copre quasi 180 gradi.

"Dimostra che possiamo ottenere prestazioni di imaging perfette su quasi l'intera vista a 180 gradi, utilizzando i nostri metodi, " dice Gu.

In un altro studio, il team ha progettato i metalli per funzionare a una lunghezza d'onda del vicino infrarosso utilizzando nanopost di silicio amorfo come meta-atomi. Hanno collegato i metalli a una simulazione utilizzata per testare gli strumenti di imaging. Prossimo, hanno alimentato la simulazione di una scena di Parigi, composto da immagini in bianco e nero cucite insieme per creare una vista panoramica. Hanno quindi eseguito la simulazione per vedere che tipo di immagine avrebbe prodotto il nuovo obiettivo.

"La domanda chiave era l'obiettivo copre l'intero campo visivo? E vediamo che cattura tutto attraverso il panorama, " dice Gu. "Puoi vedere edifici e persone, e la risoluzione è molto buona, indipendentemente dal fatto che tu stia guardando il centro o i bordi."

Il team afferma che la nuova lente può essere adattata ad altre lunghezze d'onda della luce. Per realizzare un obiettivo fisheye piatto simile per la luce visibile, ad esempio, Hu dice che le caratteristiche ottiche potrebbero dover essere rese più piccole di quanto non siano ora, per rifrangere meglio quel particolare intervallo di lunghezze d'onda. Anche il materiale delle lenti dovrebbe cambiare. Ma l'architettura generale che il team ha progettato rimarrebbe la stessa.

I ricercatori stanno esplorando le applicazioni per il loro nuovo obiettivo, non solo come fotocamere fisheye compatte, ma anche come proiettori panoramici, così come sensori di profondità integrati direttamente negli smartphone, computer portatili, e dispositivi indossabili.

"Attualmente, tutti i sensori 3D hanno un campo visivo limitato, ecco perché quando allontani il viso dallo smartphone, non ti riconoscerà, " Gu dice. "Quello che abbiamo qui è un nuovo sensore 3D che consente la profilazione panoramica della profondità, che potrebbe essere utile per i dispositivi elettronici di consumo."