Cinquecento milioni di anni fa, gli oceani pullulavano di trilioni di trilobiti, creature che erano lontani cugini dei granchi a ferro di cavallo. Tutti i trilobiti avevano un'ampia gamma di visione, grazie agli occhi composti:occhi singoli composti da decine a migliaia di minuscole unità indipendenti, ciascuna con la propria cornea, lente e cellule fotosensibili. Ma un gruppo, la Dalmanitina socialis, era eccezionalmente lungimirante. I loro occhi bifocali, ciascuno montato su steli e composto da due lenti che piegavano la luce a diverse angolazioni, consentivano a queste creature marine di vedere contemporaneamente prede fluttuanti nelle vicinanze e nemici lontani che si avvicinavano a più di un chilometro di distanza.

Ispirandosi agli occhi di D. socialis, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato una fotocamera in miniatura dotata di un obiettivo bifocale con una profondità di campo da record, la distanza su cui la fotocamera può produrre immagini nitide in una sola foto. La fotocamera è in grado di visualizzare contemporaneamente oggetti fino a 3 centimetri e fino a 1,7 chilometri di distanza. Hanno ideato un algoritmo informatico per correggere le aberrazioni, affinare gli oggetti a distanze intermedie tra queste lunghezze focali vicine e lontane e generare un'immagine finale completamente a fuoco che copre questa enorme profondità di campo.

Queste fotocamere leggere e ad ampia profondità di campo, che integrano la tecnologia fotonica su scala nanometrica con la fotografia basata su software, promettono di rivoluzionare i futuri sistemi di imaging ad alta risoluzione. In particolare, le fotocamere aumenterebbero notevolmente la capacità di produrre immagini altamente dettagliate di paesaggi urbani, gruppi di organismi che occupano un ampio campo visivo e altre applicazioni fotografiche in cui sia gli oggetti vicini che quelli lontani devono essere messi a fuoco nitidamente.

I ricercatori del NIST Amit Agrawal e Henri Lezec, insieme ai loro colleghi dell'Università del Maryland a College Park e dell'Università di Nanchino, descrivono il loro lavoro online nel numero del 19 aprile di Nature Communications .

I ricercatori hanno fabbricato una serie di minuscole lenti note come metalenses. Si tratta di pellicole ultrasottili incise o stampate con raggruppamenti di pilastri su scala nanometrica su misura per manipolare la luce in modi specifici. Per progettare i loro metalli, Agrawal e i suoi colleghi hanno tempestato una superficie piana di vetro con milioni di minuscoli pilastri rettangolari di dimensioni nanometriche. La forma e l'orientamento dei nanopillari costituenti focalizzavano la luce in modo tale che la metasuperficie fungesse contemporaneamente da obiettivo macro (per oggetti ravvicinati) e teleobiettivo (per quelli distanti).

In particolare, i nanopillari hanno catturato la luce da una scena di interesse, che può essere divisa in due parti uguali:la luce che è polarizzata circolarmente a sinistra e polarizzata circolarmente a destra. (La polarizzazione si riferisce alla direzione del campo elettrico di un'onda luminosa; la luce polarizzata circolarmente sinistra ha un campo elettrico che ruota in senso antiorario, mentre la luce polarizzata circolarmente destra ha un campo elettrico che ruota in senso orario.)

I nanopillari hanno piegato la luce polarizzata circolarmente sinistra e destra di quantità diverse, a seconda dell'orientamento dei nanopillars. Il team ha disposto i nanopillari, che erano rettangolari, in modo che parte della luce in entrata dovesse viaggiare attraverso la parte più lunga del rettangolo e parte attraverso la parte più corta. Nel percorso più lungo, la luce doveva passare attraverso più materiale e quindi subiva più flessioni. Per il percorso più breve, la luce aveva meno materiale da percorrere e quindi meno curvature.

La luce che viene piegata di quantità diverse viene portata a una messa a fuoco diversa. Maggiore è la curvatura, più vicina è focalizzata la luce. In questo modo, a seconda che la luce abbia viaggiato attraverso la parte più lunga o più corta dei nanopillari rettangolari, il metalens produce immagini sia di oggetti distanti (distanti 1,7 chilometri) che vicini (di pochi centimetri).

Senza ulteriori elaborazioni, tuttavia, ciò lascerebbe gli oggetti a distanze intermedie (diversi metri dalla fotocamera) sfocati. Agrawal e i suoi colleghi hanno utilizzato una rete neurale, un algoritmo informatico che imita il sistema nervoso umano, per insegnare al software a riconoscere e correggere difetti come sfocatura e aberrazione cromatica negli oggetti che risiedevano a metà strada tra il fuoco vicino e lontano dei metalli. Il team ha testato la sua fotocamera posizionando oggetti di vari colori, forme e dimensioni a diverse distanze in una scena di interesse e applicando la correzione software per generare un'immagine finale focalizzata e priva di aberrazioni sull'intero intervallo di chilometri di profondità di campo.

I metalensi sviluppati dal team aumentano la capacità di raccolta della luce senza sacrificare la risoluzione dell'immagine. Inoltre, poiché il sistema corregge automaticamente le aberrazioni, ha un'elevata tolleranza agli errori, consentendo ai ricercatori di utilizzare progetti semplici e facili da fabbricare per le lenti miniaturizzate, ha affermato Agrawal. + Esplora ulteriormente

I ricercatori creano una fotocamera grandangolare in miniatura con metalli piatti

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.