Pesquisadores usaram a ideia centenária da imagem por pin-hole para criar um sistema de imagem mid-infravermelho de alto desempenho sem lentes. A nova câmera pode capturar imagens extremamente nítidas em uma ampla faixa de distâncias e em baixa luminosidade, tornando-a útil para situações desafiadoras para as câmeras tradicionais.
“Muitos sinais úteis estão no mid-infravermelho, como calor e impressões digitais moleculares, mas câmeras que operam nessas comprimentos de onda muitas vezes são ruidosas, caras ou precisam de resfriamento,” disse o líder da equipe de pesquisa Heping Zeng, da East China Normal University. “Além disso, configurações tradicionais baseadas em lentes têm um campo de profundidade limitado e precisam de um design cuidadoso para minimizar distorções ópticas. Desenvolvemos uma abordagem de alta sensibilidade, sem lentes, que oferece uma profundidade de campo e um campo de visão muito maiores do que outros sistemas.”
No periódico Optica, da Optica Publishing Group, os pesquisadores descrevem como usam luz para formar um pequeno “pinhole óptico” dentro de um cristal não linear, que também transforma a imagem infravermelha em uma visível. Usando essa configuração, eles adquiriram imagens mid-infravermelhas nítidas com uma profundidade de campo superior a 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 a monitoramento ambiental,” disse o membro da equipe de pesquisa Kun Huang, da East China Normal University. “E como usa óptica mais simples e sensores de silício padrão, poderá eventualmente tornar os sistemas de imagem infravermelha mais acessíveis, portáteis e energeticamente eficientes. Isso pode até ser aplicado a outras faixas espectrais, como o far-infravermelho ou comprimentos de onda de terahertz, onde lentes são difíceis de fabricar ou apresentam desempenho ruim.”
Imagens por pinhole reimaginadas
A imagem por pinhole é um dos métodos de imagem mais antigos, descrito pela primeira vez pelo filósofo chinês Mozi no século IV a.C. Uma câmera pinhole tradicional funciona permitindo que a luz passe através de um pequeno buraco 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, tem uma profundidade de campo infinita e funciona em uma ampla gama de comprimentos de onda.
Para trazer essas vantagens para um sistema de imagem infravermelho moderno, os pesquisadores usaram um laser intenso para formar um buraco 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, para que uma câmera padrão de silício possa registrá-la.
Os pesquisadores afirmam que o uso de um cristal especialmente projetado com uma estrutura de períodos variáveis, 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 de upconversion naturalmente suprime o ruído, o que permite que funcione mesmo em condições de baixa luminosidade.
“A imagem por pinhole não linear sem lentes é uma maneira prática de alcançar a imagem mid-infravermelha com alta sensibilidade, sem distorção, com grande profundidade e amplo campo de visão,” disse Huang. “Os pulsos de laser super-curtos sincronizados também fornecem um portão óptico ultrarrápido incorporado, que pode ser usado para imagens de profundidade sensíveis, mesmo com muito poucos fótons.”
Após descobrir que um raio de pinhole óptico de cerca de 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 imagens nítidas na faixa mid-infravermelha de 3,07 μm, em todas as distâncias, confirmando uma grande faixa de profundidade. Eles também conseguiram manter imagens nítidas para objetos colocados a até 35 cm de distância, demonstrando uma grande profundidade de campo.
Imagens 3D sem lentes
Os investigadores então usaram sua configuração para dois tipos de imagem 3D. Para a imagem de tempo de voo 3D, eles imagearam um coelho cerâmico fosco usando pulsos ultrarrápidos sincronizados como um portão óptico e foram capazes de reconstruir a forma 3D com precisão axial a nível de micrômetros. Mesmo quando a entrada foi reduzida para cerca de 1,5 fótons por pulso — simulando condições de pouca luz — o método ainda produziu imagens 3D após desruído baseado em correlação.
Eles também realizaram imagens de profundidade em duas capturas, tirando duas fotos de um alvo empilhado “ECNU” em distâncias de objeto ligeiramente diferentes e usando essas fotos 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 usar técnicas complexas de temporização pulsada.
Os pesquisadores observam que o sistema de imagem por pinhole não linear mid-infravermelho 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 implantar.
Eles estão agora trabalhando para tornar o sistema mais rápido, mais sensível e adaptável a diferentes cenários de imagem. Seus planos incluem aumentar a eficiência da conversão, adicionar controle dinâmico para remodelar o pinhole óptico para diferentes cenas e expandir a operação da câmera em uma faixa mid-infravermelha mais ampla.
