Această lentilă de cameră poate focaliza de aproape și de departe în același timp.

Ben Franklin nu avea nimic despre trilobiți.

Cu aproximativ 400 de milioane de ani înainte ca părintele fondator să inventeze ochelari bifocali, trilobitul acum dispărut Dalmanitina socialis avea deja o versiune superioară (SN: 2/2/74). Creatura marină nu numai că putea să vadă lucrurile atât de aproape, cât și de departe, dar putea vedea ambele distanțe în același timp, în focus – o abilitate care scapă majorității ochilor și aparatelor foto.

Acum, un nou tip de cameră vede lumea așa cum a făcut-o acest trilobit. Inspirat de D. socialis‘ ochii, camera poate focaliza simultan două puncte aflate la o distanță cuprinsă între trei centimetri și aproape doi kilometri, relatează cercetătorii la 19 aprilie în Nature Communications.

„În domeniul opticii, a existat o problemă”, spune Amit Agrawal, fizician la Institutul Național de Standarde și Tehnologie din Gaithersburg, Md. Dacă doreați să focalizați o singură lentilă în două puncte diferite, pur și simplu nu se putea face acest lucru, spune el.

Dacă o cameră foto ar putea vedea ca un trilobit, Agrawal și-a dat seama că ar putea capta imagini de înaltă calitate cu adâncimi de câmp mai mari. O profunzime mare a câmpului – distanța dintre cel mai apropiat și cel mai îndepărtat punct pe care o cameră îl poate focaliza – este importantă pentru tehnica relativ nouă a fotografiei cu câmp de lumină, care utilizează multe lentile mici pentru a produce fotografii 3D.

Pentru a imita abilitatea trilobiților, echipa a construit un metalens, un tip de lentilă plană alcătuită din milioane de nanopilere dreptunghiulare de dimensiuni diferite dispuse ca un peisaj urban – dacă zgârie-norii ar avea o două sutime din lățimea unui fir de păr uman. Nanopilarii acționează ca niște obstacole care curbează lumina în moduri diferite, în funcție de forma, dimensiunea și dispunerea lor. Cercetătorii au aranjat pilonii astfel încât o parte din lumină să călătorească printr-o parte a lentilei și o parte din lumină prin alta, creând două puncte focale diferite.

ilustrație a unui metalens care captează o imagine a unui copac îndepărtat și a unui iepure din apropiere și care rezultă într-o imagine foarte bine focalizată
Metalens-ul inspirat de trilobiți este o suprafață plană acoperită cu „nanopillari” dreptunghiulari (ilustrat). Formele și orientările lor curbează lumina în așa fel încât obiectele îndepărtate și cele din apropiere ar putea fi focalizate într-un singur plan (dreapta), oferind astfel o imagine cu o adâncime mare a câmpului.S. Kelley/NISTMetalensul inspirat de trilobiți este o suprafață plană acoperită cu „nanopiloți” dreptunghiulari (ilustrat). Formele și orientările acestora curbează lumina în așa fel încât obiectele îndepărtate și cele apropiate ar putea fi focalizate într-un singur plan (dreapta), oferind astfel o imagine cu o adâncime mare a câmpului.S. Kelley/NIST

Pentru a utiliza dispozitivul într-o cameră cu câmp luminos, echipa a construit apoi o serie de metalentile identice care ar putea capta mii de imagini minuscule. Atunci când sunt combinate, rezultatul este o imagine care este focalizată de aproape și de departe, dar neclară între ele. Bucățile neclare sunt apoi ascuțite cu un tip de program de calculator de învățare automată.

Obținerea unei adâncimi mari a câmpului poate ajuta programul să recupereze informațiile de adâncime, spune Ivo Ihrke, un cercetător în domeniul imagisticii computaționale de la Universitatea din Siegen din Germania, care nu a fost implicat în această cercetare. Imaginile standard nu conțin informații despre distanțele la care se află obiectele din fotografie, dar imaginile 3D conțin informații. Așadar, cu cât mai multe informații despre adâncime pot fi capturate, cu atât mai bine.

Abordarea trilobită nu este singura modalitate de a spori gama de acuitate vizuală. Alte camere care folosesc o metodă diferită au realizat o adâncime de câmp similară, spune Ihrke. De exemplu, o cameră cu câmp de lumină realizată de compania Raytrix conține o serie de lentile de sticlă minuscule de trei tipuri diferite care funcționează în mod concertat, fiecare tip fiind adaptat pentru a focaliza lumina de la o anumită distanță. Modalitatea trilobită folosește, de asemenea, o matrice de lentile, dar toate lentilele sunt identice, fiecare dintre ele fiind capabilă să facă toată munca de profunzime a focalizării pe cont propriu – ceea ce ajută la obținerea unei rezoluții ușor mai mari decât dacă s-ar folosi diferite tipuri de lentile.

Indiferent de modul în care se realizează, toate progresele recente în captarea adâncimii cu ajutorul camerelor cu câmp luminos vor îmbunătăți tehnicile de imagistică care depind de această adâncime, spune Agrawal. Aceste tehnici ar putea ajuta într-o zi mașinile care se conduc singure să urmărească distanțele față de alte vehicule, de exemplu, sau roverele de pe Marte să măsoare distanțele și dimensiunile reperelor din vecinătatea lor.