Pesquisadores fazem câmera do tamanho de um grão de sal

Câmeras minúsculas têm grande potencial para detectar problemas no corpo humano e permitir a detecção de robôs superpequenos, mas abordagens anteriores capturavam imagens distorcidas e confusas com campos de visão limitados. Esse problema foi superado. Pesquisadores da Universidade de Princeton e da Universidade de Washington (EUA) superaram esses obstáculos com uma câmera ultracompacta do tamanho de um grão de sal grosso. O novo sistema pode produzir imagens nítidas e coloridas no mesmo nível de uma lente de câmera composta convencional 500 mil vezes maior em volume, relataram os pesquisadores em artigo publicado na revista Nature Communications.

Habilitado por um design conjunto de hardware da câmera e processamento computacional, o sistema pode permitir a endoscopia minimamente invasiva com robôs médicos para diagnosticar e tratar doenças e melhorar a imagem de outros robôs com restrições de tamanho e peso. Matrizes de milhares dessas câmeras poderiam ser usadas para detecção de toda a cena, transformando superfícies em câmeras.

Inovação importante

Enquanto uma câmera tradicional usa uma série de lentes curvas de vidro ou plástico para direcionar os raios de luz para o foco, o novo sistema óptico se baseia em uma tecnologia chamada metassuperfície, que pode ser produzida como um chip de computador. Com apenas meio milímetro de largura, a metassuperfície é cravejada de 1,6 milhão de pinos cilíndricos, cada um com aproximadamente o tamanho do vírus da imunodeficiência humana (HIV).

Cada pino possui uma geometria única e funciona como uma antena óptica. É necessário variar o design de cada pino para dar forma correta a toda a frente de onda óptica. Com a ajuda de algoritmos baseados em aprendizado de máquina, as interações dos pinos com a luz se combinam para produzir imagens da mais alta qualidade e o mais amplo campo de visão para uma câmera de metassuperfície colorida desenvolvida até hoje.

Uma inovação importante na criação da câmera foi o design integrado da superfície óptica e os algoritmos de processamento de sinal que produzem a imagem. Isso aumentou o desempenho da câmera em condições de luz natural, em contraste com as câmeras de metassuperfície anteriores, que exigiam luz laser pura de um laboratório ou outras condições ideais para produzir imagens de alta qualidade, disse Felix Heide, autor sênior do estudo e professor assistente de ciência da computação na Universidade de Princeton.

Desafio de projeto e configuração

Os pesquisadores compararam as imagens produzidas com seu sistema com os resultados de câmeras anteriores de metassuperfície, bem como imagens capturadas por uma óptica composta convencional que usa uma série de seis lentes refrativas. Além de um pouco de desfoque nas bordas do quadro, as imagens da câmera de tamanho nano eram comparáveis às da configuração de lente tradicional, que é mais de 500 mil vezes maior em volume.

Outras lentes de metassuperfície ultracompactas sofreram grandes distorções de imagem, pequenos campos de visão e capacidade limitada de capturar todo o espectro de luz visível – denominado imagem RGB porque combina vermelho, verde e azul (em inglês, red, green e blue) para produzir tons diferentes.

“Tem sido um desafio projetar e configurar essas pequenas microestruturas para fazer o que você quer”, disse Ethan Tseng, doutorando em ciência da computação na Universidade de Princeton que coliderou o estudo. “Para essa tarefa específica de capturar imagens RGB de grande campo de visão, é um desafio porque existem milhões dessas pequenas microestruturas e não está claro como projetá-las de maneira ideal.”

As câmeras microdimensionadas anteriores (à esquerda) capturam imagens distorcidas e difusas com campos de visão limitados. Um novo sistema denominado nano-ótica neural (à direita) pode produzir imagens nítidas e coloridas no mesmo nível de uma lente de câmera composta convencional. Crédito: Universidade de Princeton

O coautor do estudo Shane Colburn, que era doutorando no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Washington quando conduziu esse trabalho, e hoje é professor assistente ali, enfrentou o desafio criando um simulador computacional para automatizar o teste de diferentes configurações de nanoantenas. Por causa do número de antenas e da complexidade de suas interações com a luz, esse tipo de simulação pode usar “grandes quantidades de memória e tempo”, disse Colburn. Ele desenvolveu um modelo para aproximar com eficiência as capacidades de produção de imagens das metassuperfícies com precisão suficiente.

Colburn é atualmente professor assistente afiliado na Universidade de Washington. Ele também dirige o projeto de sistema na Tunoptix, uma empresa com sede em Seattle que está comercializando tecnologias de imagem de metassuperfície. A Tunoptix foi cofundada pelo conselheiro graduado de Colburn, Arka Majumdar, professor associado da Universidade de Washington e coautor do estudo.

O coautor do estudo James Whitehead, doutorando na Universidade de Washington, fabricou as metassuperfícies, que são baseadas em nitreto de silício. Esse material semelhante ao vidro é compatível com os métodos de fabricação de semicondutores padrão usados para chips de computador, o que significa que um determinado projeto de metassuperfície poderia ser facilmente produzido em massa a um custo menor do que as lentes em câmeras convencionais.

Revista Planeta