Esta nova câmera visualiza o invisível em 3D sem lentes

“Muitos sinais úteis estão no meio-infravermelho, como calor e impressões digitais moleculares, mas câmeras que trabalham nessas longitudes de onda frequentemente são ruidosas, caras ou requerem resfriamento,” disse o líder da equipe de pesquisa, Heping Zeng, da Universidade Normal do Leste da China. “Além disso, as configurações tradicionais baseadas em lentes têm um campo de profundidade limitado e necessitam de um design cuidadoso para minimizar distorções ópticas. Desenvolvemos uma abordagem sem lentes de alta sensibilidade, que oferece uma profundidade de campo e um campo de visão muito maiores do que outros sistemas.”

Na revista Optica, do Optica Publishing Group, os pesquisadores descrevem como utilizam a luz para formar um pequeno “pinhole óptico” dentro de um cristal não linear, que também transforma a imagem infravermelha em uma imagem visível. Com essa configuração, eles adquiriram imagens claras no meio-infravermelho com uma profundidade de campo de mais de 35 cm e um campo de visão de mais de 6 cm. Eles também conseguiram usar o sistema para obter imagens 3D.

“Essa abordagem pode melhorar a segurança noturna, o controle de qualidade industrial e o monitoramento ambiental,” disse o membro da equipe de pesquisa, Kun Huang, da Universidade Normal do Leste da China. “E, como utiliza ópticas mais simples e sensores de silício padrão, pode tornar os sistemas de imagem infravermelha mais acessíveis, portáteis e energeticamente eficientes. Ela pode até ser aplicada em outras faixas espectrais, como o far-infravermelho ou comprimentos de onda de terahercios, onde lentes são difíceis de serem feitas ou têm desempenho fraco.”

Pinhole Imaging Reimaginado

A imagem por pinhole é um dos métodos de criação de imagem mais antigos, descrito pela primeira vez pelo filósofo chinês Mozi no século IV a.C. Uma câmera de pinhole tradicional funciona permitindo que a luz passe por um pequeno orifício em uma caixa à prova de luz, projetando uma imagem invertida da cena externa na superfície oposta dentro. Ao contrário da imagem baseada em lentes, a imagem por pinhole evita distorções, possui uma profundidade de campo infinita e funciona em uma ampla variedade de comprimentos de onda.

Para trazer essas vantagens a um sistema moderno de imagem infravermelha, os pesquisadores usaram um laser intenso para formar um orifício óptico, ou abertura artificial, dentro de um cristal não linear. Devido às suas propriedades ópticas especiais, o cristal converte a imagem infravermelha em luz visível, permitindo que uma câmera padrão de silício a registre.

Os pesquisadores afirmam que o uso de um cristal especialmente projetado com uma estrutura de período curvado, que pode aceitar raios de luz de uma ampla gama de direções, foi fundamental para alcançar um grande campo de visão. Além disso, o método de detecção por upconversion suprime naturalmente o ruído, o que permite seu funcionamento mesmo em condições de luz muito baixa.

“A imagem por pinhole não linear sem lentes é uma forma prática de alcançar imagens no meio-infravermelho com alta sensibilidade, sem distorções, com grande profundidade e um amplo campo de visão,” afirmou Huang. “Os pulsos de laser ultracurtos sincronizados também fornecem um portão óptico ultrarrápido embutido que pode ser utilizado para imagens de profundidade sensíveis, mesmo com poucos fótons.”

Após descobrir que um raio de pinhole óptico de aproximadamente 0,20 mm produzia detalhes nítidos e bem definidos, os pesquisadores usaram esse tamanho de abertura para imagear alvos a 11 cm, 15 cm e 19 cm de distância. Eles conseguiram obter imagens nítidas na faixa do meio-infravermelho de 3,07 µm, em todas as distâncias, confirmando uma ampla gama de profundidade. Eles também conseguiram manter as imagens nítidas para objetos colocados a até 35 cm de distância, demonstrando uma grande profundidade de campo.

Imagens 3D sem Lentes

Os investigadores então utilizaram seu setup para dois tipos de imagem 3D. Para a imagem 3D por tempo de voo, eles imagearam um coelho cerâmico fosco usando pulsos ultrarrápidos sincronizados como um portão óptico e conseguiram reconstruir a forma 3D com precisão axial em micronível. Mesmo quando a entrada foi reduzida para cerca de 1,5 fótons por pulso – simulando condições de luz muito baixa – o método ainda produziu imagens 3D após desnoising baseado em correlação.

Eles também realizaram imagem de profundidade em duas capturas, tirando duas fotos de um alvo empilhado “ECNU” a distâncias de objeto ligeiramente diferentes e utilizando isso para calcular os tamanhos e profundidades reais. Com esse método, conseguiram medir a profundidade dos objetos em uma faixa de cerca de 6 centímetros, sem utilizar técnicas complexas de temporização pulsada.

Os pesquisadores observam que o sistema de imagem por pinhole não linear do meio-infravermelho ainda é um projeto de prova que requer um setup a laser relativamente complexo e volumoso. No entanto, à medida que novos materiais não lineares e fontes de luz integradas forem desenvolvidos, a tecnologia deve se tornar muito mais compacta e fácil de implementar.

Atualmente, eles estão trabalhando para tornar o sistema mais rápido, sensível e adaptável a diferentes cenários de imagem. Seus planos incluem aumentar a eficiência de conversão, adicionar controle dinâmico para reformular o pinhole óptico para diferentes cenas e ampliar o funcionamento da câmera em uma faixa mais extensa do meio-infravermelho.