Pesquisadores utilizaram a antiga ideia da imagem por pinhole para criar um sistema de imagem mid-infravermelho de alto desempenho sem lentes. A nova câmera pode capturar imagens extremamente claras em uma ampla gama de distâncias e em condições de baixa luminosidade, tornando-a útil para situações desafiadoras para câmeras tradicionais.
“Muitos sinais úteis estão no mid-infravermelho, como calor e impressões digitais moleculares, mas câmeras que funcionam nessas longitudes de onda costumam ser barulhentas, caras ou exigem refrigeração”, disse Heping Zeng, líder da equipe de pesquisa da East China Normal University. “Além disso, as configurações baseadas em lentes tradicionais têm um campo de profundidade limitado e precisam de um design cuidadoso para minimizar distorções ópticas. Desenvolvemos uma abordagem de alta sensibilidade, livre de lentes, que oferece um campo de profundidade e um campo de visão muito maiores do que outros sistemas.”
No periódico Optica, da 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 visível. Com esse arranjo, eles obtiveram imagens nítidas no mid-infravermelho 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 adquirir imagens em 3D.
“Essa abordagem pode aumentar a segurança noturna, o controle de qualidade industrial e o monitoramento ambiental”, disse Kun Huang, membro da equipe de pesquisa da East China Normal University. “E, como utiliza óptica mais simples e sensores de silício padrão, poderia eventualmente tornar os sistemas de imagem infravermelha mais acessíveis, portáteis e energeticamente eficientes. Pode até ser aplicada a outras bandas espectrais, como as do far-infravermelho ou terahertz, onde lentes são difíceis de fabricar ou têm desempenho insatisfatório.”
Pinhole imaging reimaginado
A imagem por pinhole é um dos métodos de formação 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 por um pequeno orifício em uma caixa à prova de luz, projetando uma imagem invertida da cena externa na superfície oposta dentro da caixa. 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 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 de silício padrão a registre.
Os pesquisadores afirmam que o uso de um cristal especialmente projetado com uma estrutura de período dobrado, 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 conversão inibe naturalmente o ruído, permitindo que funcione mesmo em condições de luz muito baixa.
“A imagem por pinhole não linear sem lentes é uma maneira prática de alcançar imagens mid-infravermelhas de alta sensibilidade, sem distorções, com grande profundidade e amplo campo de visão”, disse Huang. “Os pulsos de laser ultracurtos sincronizados também oferecem um portão óptico ultrarrápido embutido que pode ser usado para imagens sensíveis de profundidade baseadas no tempo de vôo, 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 imagem de alvos a 11 cm, 15 cm e 19 cm de distância. Eles conseguiram imagens nítidas na comprimento de onda mid-infravermelha de 3,07 μm, em todas as distâncias, confirmando uma grande faixa de profundidade. Também foram capazes de 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 seu dispositivo para dois tipos de imagens 3D. Para a imagem 3D por tempo de voo, eles capturaram uma imagem de um coelho cerâmico fosco usando pulsos ultrarrápidos sincronizados como um portão óptico e conseguiram reconstruir a forma 3D com precisão axial no nível do micron. 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 a redução do ruído baseada na correlação.
Eles também realizaram imagens de profundidade em duas etapas, capturando duas imagens de um alvo “ECNU” empilhado a ligeiramente diferentes distâncias de objeto e usando essas imagens 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 por pulso.
Os pesquisadores observam que o sistema de imagem por pinhole não linear mid-infravermelho ainda é uma prova de conceito que requer um arranjo de 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 implantar.
Eles estão agora 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 remodelar o pinhole óptico para diferentes cenas e expandir a operação da câmera em uma gama mid-infravermelha mais ampla.
