Il nuovo obiettivo piatto consente di videocamere senza messa a fuoco con peso drasticamente ridotto, complessità e cos…


Utilizzando un singolo obiettivo che è circa un millesimo di pollice di spessore, i ricercatori hanno creato una fotocamera che non richiede messa a fuoco. Il nuovo obiettivo potrebbe ridurre drasticamente il peso, la complessità e il costo delle telecamere e di altri sistemi di imaging, aumentandone al contempo la funzionalità. Credito: Rajesh Menon, Università dello Utah

Una nuova tecnologia è pronta a ridurre drasticamente peso, complessità e costi delle telecamere, aumentando al contempo la funzionalità.

Utilizzando un singolo obiettivo che è circa un millesimo di pollice di spessore, i ricercatori hanno creato una fotocamera che non richiede messa a fuoco. La tecnologia offre notevoli vantaggi rispetto alle fotocamere tradizionali come quelle nella maggior parte degli smartphone, che richiedono lenti multiple per formare immagini di alta qualità e a fuoco.

“Le nostre lenti piatte possono ridurre drasticamente il peso, la complessità e il costo delle telecamere e di altri sistemi di imaging, aumentando al contempo la loro funzionalità”, ha detto Il leader del team di ricerca Rajesh Menon dell’Università dello Utah. “Tale ottica potrebbe consentire fotocamere per smartphone più sottili, fotocamere migliorate e più piccole per l’imaging biomedico come l’endoscopia e fotocamere più compatte per le automobili.”

In Optica,la rivista Della Optical Society (OSA) per la ricerca ad alto impatto, Menon e colleghi descrivono la loro nuova lente piatta e dimostrano che può mantenere la messa a fuoco per gli oggetti che sono a circa 6 metri di distanza l’uno dall’altro. Le lenti piatte utilizzano nanostrutture modellate su una superficie piana piuttosto che vetro o plastica ingombranti per ottenere le importanti proprietà ottiche che controllano il modo in cui la luce viaggia.

“Questo nuovo obiettivo potrebbe avere molte applicazioni interessanti al di fuori della fotografia, come la creazione di un’illuminazione altamente efficiente per LIDAR che è fondamentale per molti sistemi autonomi, tra cui le auto a guida autonoma,” ha detto Menon.

I ricercatori affermano che l’approccio progettuale che hanno usato potrebbe essere ampliato per creare componenti ottici con un numero qualsiasi di proprietà come larghezza di banda estrema, più facile fattibilità o costi inferiori.

Interrogare il libro di testo

Le fotocamere convenzionali, sia utilizzate negli smartphone che per la microscopia, richiedono la messa a fuoco per garantire che i dettagli di un oggetto siano nitidi. Se sono presenti più oggetti a distanze diverse dalla fotocamera, ogni oggetto deve essere attivo separatamente.

“Il nuovo obiettivo elimina la necessità di messa a fuoco e consente a qualsiasi fotocamera di mantenere tutti gli oggetti a fuoco contemporaneamente,” ha detto Menon. “Le fotocamere convenzionali utilizzano anche lenti multiple per mantenere contemporaneamente diversi colori di luce a fuoco. Dal momento che il nostro design è molto generale, possiamo anche usarlo per creare un singolo obiettivo piatto che focalizza tutti i colori della luce, semplificando drasticamente ulteriormente le telecamere.”

Per mettere a fuoco la luce, le lenti tradizionali trasformano le onde luminose parallele in onde sferiche che convergono in un punto focale. In un’importante scoperta, i ricercatori si sono resi conto che le onde con altre forme potrebbero produrre un effetto simile, aumentando notevolmente il numero di possibili progetti di lenti.

“In netto contrasto con ciò che viene insegnato nei libri di testo in ottica, la nostra ricerca ha dimostrato che c’è più di un modo in cui la trasmissione della luce è influenzata da una lente ideale , un concetto noto come funzione pupilla,” ha detto Menon. “Questo ha aperto possibilità essenzialmente infinite per la funzione della pupilla lente, e abbiamo cercato attraverso queste possibilità per uno che ha raggiunto un’estrema profondità di messa a fuoco.”

Conferma sperimentale

Dopo aver scelto il miglior design dell’obiettivo per la profondità di messa a fuoco, i ricercatori hanno utilizzato tecniche di nanofabbricazione per realizzare un prototipo di lente. Gli esperimenti hanno confermato che la nuova lente ha funzionato come previsto e ha raggiunto una profondità di messa a fuoco di diversi ordini di grandezza più grandi di quella di una lente convenzionale equivalente.

I ricercatori hanno dimostrato la nuova lente utilizzando la luce infrarossa e l’apertura numerica relativamente bassa, un numero che caratterizza la gamma di angoli su cui l’obiettivo può accettare o emettere luce. Hanno in programma di estendere la lente a aperture numeriche più grandi e di usarla con l’intero spettro di luce visibile. È inoltre necessario lavorare per garantire che le lenti possano essere prodotte in serie, prima di poter essere commercializzate.

“Questa ricerca è un buon esempio di come l’abbandono delle nozioni tradizionali possa consentire dispositivi precedentemente considerati impossibili”, ha detto Menon. “Serve come un buon promemoria per mettere in discussione i dettami del passato.”

Riferimento: “Extreme depth-of-focus imaging with a flat lens” di Sourangsu Banerji, Monjurul Meem, Apratim Majumder, Berardi Sensale-Rodriguez e Rajesh Menon, 12 marzo 2020, Optica.
DOI: 10.1364/OPTICA.384164