Obiettivo fisheye completamente piatto

Progettato un obiettivo grandangolare completamente piatto che produce immagini panoramiche nitide 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.

Per catturare viste panoramiche in un unico scatto, i fotografi in genere utilizzano obiettivi fisheye, obiettivi ultra grandangolari realizzati con più pezzi di vetro curvo, che distorcono la luce in ingresso per produrre immagini ampie e simili a bolle. Il loro design sferico a più pezzi 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 panoramiche nitide 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 singolo pezzo di vetro piatto e sottile al millimetro coperto su un lato da minuscole strutture che diffondono con precisione la luce in ingresso per produrre immagini panoramiche, proprio come farebbe un gruppo di lenti fisheye multielemento curvo convenzionale. L'obiettivo funziona nella parte infrarossa dello spettro, ma i ricercatori affermano che potrebbe essere modificato per catturare immagini utilizzando anche la luce visibile.

Il nuovo design potrebbe potenzialmente essere adattato per una vasta gamma di applicazioni, con lenti sottili e ultra grandangolari integrate direttamente in smartphone e laptop, piuttosto che fissate fisicamente come componenti aggiuntivi ingombranti. Le lenti a basso profilo potrebbero anche essere integrate in dispositivi di imaging medico come endoscopi, occhiali per realtà virtuale, dispositivi elettronici indossabili e altri dispositivi di visione artificiale.

«Questo progetto è in qualche modo una sorpresa, perché alcuni hanno pensato che era impossibile realizzare un metalens con una vista a campo ultra ampio», afferma Juejun (JJ) Hu, (1) professore associato presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT. «Il fatto che questo possa effettivamente realizzare immagini fisheye è completamente fuori dalle aspettative. Non si tratta solo di piegare la luce, ma anche di piegare la mente».

Il dottor Juejun (JJ) Hu e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Nano Letters. (2) I coautori del MIT del dottor Hu sono Mikhail Y. Shalaginov, Fan Yang, Peter Su, Dominika Lyzwa, Anuradha Agarwal e Tian Gu, insieme a Sensong An e Hualiang Zhang di UMass Lowell.

Design sul retro

I metalenses, sebbene ancora in gran parte in una 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 aberrazioni o sfocature, una soluzione alternativa che aggiungerebbe volume a un design metallico.

Il dottor Hu ei suoi colleghi invece hanno escogitato un design semplice che non richiede componenti aggiuntivi e mantiene un numero minimo di elementi. Il loro nuovo metallo è un unico pezzo trasparente costituito da fluoruro di calcio con una sottile pellicola di tellururo di piombo depositato su un lato. Il team ha quindi utilizzato tecniche litografiche per scolpire un modello di strutture ottiche nella pellicola.

Ogni struttura, o “meta-atomo”, come li chiama il team, è modellata in una delle numerose geometrie su nanoscala, 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 per diffondersi o propagarsi da una forma all'altra, un fenomeno noto come ritardo di fase.

Negli obiettivi fisheye convenzionali, la curvatura del vetro crea naturalmente una distribuzione dei ritardi di fase che alla fine produce un'immagine panoramica. Il team ha determinato il modello corrispondente di meta-atomi e ha scolpito 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», afferma Hu.

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

«Quando la luce entra da questa apertura, si rifrange sulla prima superficie del vetro e poi si disperde angolarmente», spiega Mikhail Y. Shalaginov. (3) «La luce colpirà quindi diverse parti della parte posteriore, da angolazioni diverse ma continue. Finché si progetta correttamente la parte posteriore, si può essere certi di ottenere immagini di alta qualità su tutta la vista panoramica».

Dall'altra parte del panorama

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

«Questo dimostra che possiamo ottenere prestazioni di imaging perfette su quasi l'intera visualizzazione a 180 gradi, utilizzando i nostri metodi», afferma il dottor Tian Gu. (4)

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

«La domanda chiave era, l'obiettivo copre l'intero campo visivo? E vediamo che cattura tutto il panorama», dice il dottor Tian Gu. «Puoi vedere edifici e persone e la risoluzione è molto buona, indipendentemente dal fatto che tu stia guardando al centro o ai 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, il dottor Hu afferma che le caratteristiche ottiche potrebbero dover essere rese più piccole di quanto non siano ora, per rifrangere meglio quella particolare gamma 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, nonché sensori di profondità incorporati direttamente in smartphone, laptop e dispositivi indossabili.

«Attualmente, tutti i sensori 3D hanno un campo visivo limitato, motivo per cui quando metti il viso lontano dallo smartphone, non ti riconoscerà», dice il dottor Gu. «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».

Riferimenti:

(1) Juejun (JJ) Hu

(2) Single-Element Diffraction-Limited Fisheye Metalens

(3) Mikhail Y. Shalaginov

(4) Tian Gu

Descrizione foto: Illustrazione artistica 3D dei metalens ad ampio campo visivo che catturano un panorama a 180° della Killian Court del MIT e producono un'immagine piatta monocromatica ad alta risoluzione. - Credit: Mikhail Shalaginov, Tian Gu, Christine Daniloff, Felice Hankel, Juejun Hu.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Engineers produce a fisheye lens that’s completely flat