La minuscola lente in metamateriale scatta immagini di grandi dimensioni

Utilizzando il tipo di fisica che distorce la luce che rende possibili i "mantelli dell'invisibilità", gli scienziati hanno sviluppato una fotocamera piccola e leggera che può scattare foto di qualità pari o migliore rispetto alle fotocamere digitali commerciali con un volume più di 100 volte maggiore, per un potenziale utilizzo in smartphone e altri dispositivi portatili, rileva un nuovo studio.

Le fotocamere moderne in genere hanno più obiettivi che le aiutano a catturare immagini di alta qualità ma rendono anche le fotocamere grandi e pesanti. Questa massa impedisce alle fotocamere di fascia alta di essere facilmente integrate in dispositivi mobili come smartphone, droni e apparecchiature video.

Il nuovo dispositivo a obiettivo singolo ha acquisito immagini con una risoluzione paragonabile a quella di una fotocamera Sony di livello professionale, occupando un volume inferiore all'1% dell'ottica Sony.

Per miniaturizzare le telecamere, gli scienziati stanno esplorando sempre più l’ottica piatta fatta di metastrutture, materiali le cui strutture contengono schemi ripetuti su scale più piccole delle lunghezze d’onda caratteristiche di qualunque cosa le strutture siano progettate per manipolare. Le metastrutture ottiche, realizzate per manipolare la radiazione elettromagnetica, possono piegare la luce in modi inaspettati, dando vita a mantelli dell’invisibilità su scala nanometrica e altri dispositivi.

Un’altra strategia per aiutare a miniaturizzare le fotocamere è l’imaging computazionale, che utilizza un software per correggere eventuali carenze dei componenti ottici. Precedenti ricerche suggerivano che la combinazione di ottiche realizzate con metamateriali (noti anche come meta-ottica) potenziate dall’imaging computazionale potrebbe potenzialmente portare a immagini di alta qualità utilizzando ottiche spesse solo pochi micrometri.

Uno dei problemi principali quando si tratta di progettare meta-ottica è la straordinaria difficoltà che i ricercatori devono affrontare nella modellazione computazionale delle complesse interazioni tra la luce e tutti i componenti ottici. Ciò significa che, sebbene la meta-ottica abbia teoricamente un grande potenziale, i materiali meta-ottici che gli scienziati finiscono per fabbricare spesso forniscono una qualità dell’immagine significativamente inferiore rispetto ai metodi ottici convenzionali, afferma la coautrice dello studio Karen Egiazarian dell’Università di Tampere, in Finlandia.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno esplorato una strategia “hardware in the loop” in cui hanno eseguito esperimenti utilizzando lenti e sensori reali invece di modellare computazionalmente come potrebbero comportarsi questi componenti. Ciò ha contribuito a ridurre drasticamente le esigenze di elaborazione per lo sviluppo della meta-ottica di almeno cento volte e le esigenze di memoria di almeno dieci volte, osservano i ricercatori.

La meta-ottica ibrida risultante consisteva in una lente rifrattiva standard di 4,5 millimetri di spessore ricoperta da una pellicola meta-ottica di quarzo di 500 µm di spessore rivestita in pilastri quadrati di nitruro di silicio alti 700 nanometri. Negli esperimenti, gli scienziati hanno utilizzato la meta-ottica ibrida e le tecniche di imaging computazionale per catturare foto di immagini a una distanza compresa tra 0,5 e 1,8 metri.

Il nuovo dispositivo a obiettivo singolo ha scattato immagini a colori la cui qualità era altrettanto buona o migliore di quella catturata da una fotocamera mirrorless commerciale Sony Alpha 1 III con un obiettivo composto Sony SEL85F18, dicono i ricercatori.

"Questa metodologia hardware-in-the-loop è in grado di produrre ottiche migliori rispetto allo stato dell'arte", afferma il coautore dello studio Vladimir Katkovnik, anch'egli dell'Università di Tampere.

Allo stesso tempo, il nuovo dispositivo rappresentava meno dell'1% del volume del sistema Sony.

"Credo che l'applicazione di maggior impatto al momento sia la progettazione di una nuova generazione di fotocamere personalizzate per smartphone", afferma l'autore principale dello studio Samuel Pinilla del Science and Technology Facilities Council, ad Harwell, in Inghilterra. "Siamo interessati anche alle applicazioni biomediche." La ricerca futura può anche esplorare applicazioni meta-ottiche come l’imaging iperspettrale e la classificazione delle immagini, afferma Egiazarian.

La metaottica ibrida del nuovo dispositivo era larga solo 5 mm. In futuro, i ricercatori suggeriscono che potrebbero sviluppare meta-ottiche ancora più ampie in grado di raccogliere più luce per una migliore qualità dell’immagine. Tuttavia, la fabbricazione di tali ottiche "è ancora un'area in via di sviluppo e qui sono necessari ulteriori progressi per implementare con successo un determinato progetto", afferma il coautore dello studio Igor Shevkunov, a Tampere.