Câmera pinhole
Pesquisadores utilizaram a ideia centenária da câmera escura para criar um sistema de imagem de infravermelho de alto desempenho sem lentes. A nova câmera consegue capturar imagens extremamente nítidas em uma ampla faixa de distâncias e com pouca luz, tornando-a útil para situações onde as câmeras tradicionais de visão noturna não funcionam.
A câmera escura, ou câmera estenopeica, não possui lente, capturando a luz através de um único orifício – por isso ela é também conhecida por seu nome em inglês, câmera pinhole (furo de alfinete).
O truque agora consistiu em dar um toque de alta tecnologia a esse coneito, usando um material quântico inovador para capturar imagens no espectro infravermelho. Em vez de um furo no sentido literal, o novo sistema usa a própria luz para formar um pequeno “furo óptico” dentro de um cristal, que se torna o aparato responsável por transformar a imagem infravermelha em visível.
“Muitos sinais úteis estão no infravermelho médio, como calor e impressões digitais moleculares, mas câmeras que trabalham nesses comprimentos de onda costumam ser ruidosas, caras ou exigirem resfriamento,” explicou o professor Heping Zeng, da Universidade Normal da China Oriental. “Além disso, as configurações tradicionais baseadas em lentes têm profundidade de campo limitada e exigem um projeto cuidadoso para minimizar distorções ópticas. Nós desenvolvemos uma abordagem de alta sensibilidade, sem lentes, que oferece profundidade de campo e campo de visão muito maiores do que outros sistemas.”
Usando sua configuração, a equipe obteve imagens nítidas no infravermelho médio com profundidade de campo de mais de 35 cm e campo de visão de mais de 6 cm. Eles também conseguiram usar o sistema para obter imagens 3D.
“Essa abordagem pode aprimorar a segurança noturna, o controle de qualidade industrial e o monitoramento ambiental,” disse o pesquisador Kun Huang. “E, como utiliza óptica mais simples e sensores de silício padrão, ela pode eventualmente tornar os sistemas de imagem infravermelha mais acessíveis, portáteis e energeticamente eficientes. Ela pode até ser aplicada a outras bandas espectrais, como os comprimentos de onda do infravermelho distante ou terahertz, onde as lentes são difíceis de fabricar ou apresentam baixo desempenho.”
Câmeras de orifício reinventadas
A imagem pinhole é um dos métodos mais antigos de produção de imagens, descrito pela primeira vez pelo filósofo chinês Mozi, no século IV a.C.
Uma câmera escura tradicional funciona deixando a luz passar por um pequeno orifício em uma caixa à prova de luz, projetando uma imagem invertida da cena externa na superfície oposta interna. Ao contrário da imagem baseada em lentes, a imagem de orifício evita distorções, tem profundidade de campo infinita e funciona em uma ampla faixa de comprimentos de onda.
Para trazer essas vantagens a um sistema moderno de imagem infravermelha, os pesquisadores usaram um forte laser para formar um buraco óptico – uma abertura artificial, e não um buraco físico – dentro de um cristal não linear. Devido às suas propriedades ópticas especiais, o cristal de niobato de lítio converte a imagem infravermelha em luz visível, permitindo que uma câmera digital comum a capture – o processo físico envolvido é conhecido como conversão ascendente da luz.
Após constatarem que furo de agulha com um raio óptico de cerca de 0,20 mm produzia detalhes nítidos e bem definidos, os pesquisadores usaram esse tamanho de abertura para obter imagens de alvos a 11 cm, 15 cm e 19 cm de distância. São imagens nítidas no comprimento de onda do infravermelho médio de 3,07 µm, em todas as distâncias, confirmando uma ampla faixa de profundidade. A nitidez das imagens se manteve mesmo com objetos posicionados a até 35 cm de distância, demonstrando uma grande profundidade de campo.
Imagem 3D
Finalmente, os pesquisadores usaram sua câmera para gerar imagens 3D, incluidno imagens 3D em tempo de voo. A demonstração envolveu fotos de um coelho de cerâmica fosca coletadas usando pulsos ultrarrápidos sincronizados como porta óptica, o que permitiu reconstruir a forma 3D com precisão axial de nível micrométrico. Mesmo quando a entrada foi reduzida para cerca de 1,5 fóton por pulso – simulando condições de luminosidade muito baixa – o método ainda produziu imagens 3D após a redução de ruído baseada em correlação.
Os pesquisadores reconhecem que o sistema de imagem pinhole não linear no infravermelho médio ainda é uma prova de conceito que requer uma configuração de laser relativamente complexa e volumosa. No entanto, à medida que novos materiais não lineares e fontes de luz integradas são desenvolvidos, a tecnologia deve se tornar muito mais compacta e fácil de implementar. Eles já estão trabalhando para tornar o sistema mais rápido, mais sensível e adaptável a diferentes cenários de imagem.
Bibliografia:
Artigo: Mid-infrared nonlinear pinhole imaging
Autores: Yanan Li, Kun Huang, Jianan Fang, zhuohang wei, Heping Zeng
Revista: Optica
DOI: 10.1364/OPTICA.566042