Lente plana tem visão ampla ou detalhada sob demanda

Dois modos de ver o mundo

Parece não haver limites para as peripécias das metassuperfícies e metalentes, superfícies planas capazes de manipular a luz – a radiação eletromagnética em geral – de modos impensáveis há poucos anos.

Depois de uma lente plana que gera uma imagem para a frente e outra diferente para trás, a novidade agora é uma metalente ultrafina que pode mudar o modo como ela enxerga o mundo mediante um pequeno estímulo elétrico.

Em vez de um vidro curvo volumoso, uma metalente é uma folha plana coberta com padrões muito menores que um fio de cabelo humano, conhecidos como nanoantenas, que são na verdade os meta-átomos desse material artificial – também chamados metamateriais, esses materiais artificiais têm suas propriedades ditadas não por sua composição química, mas por sua estrutura física.

Ao direcionar a luz de maneiras programadas, essas nanoantenas permitem alternar entre duas visualizações.

Na primeira, a lente produz dois pequenos pontos brilhantes que giram conforme o objeto se aproxima ou se afasta. É um foco preciso e estreito sobre o objeto, e o ângulo de rotação funciona como uma régua, permitindo que um computador leia a profundidade de campo (a distância do objeto) diretamente da imagem.

Na segunda visualização, a lente mantém uma ampla faixa da cena em foco simultaneamente, de modo que os detalhes finos permaneçam nítidos sem a necessidade de constantes refocalizações. É como um zoom que cobre uma área grande, em vez de se concentrar.

Melhores microscópios e muito mais

A comutação entre os dois modos de ampliação é feita eletronicamente usando uma fina camada de cristal líquido, semelhante à usada em telas. Sob uma pequena corrente elétrica, o cristal líquido altera a “torção” (polarização) da luz: Uma torção num sentido ativa a visualização no modo sensor de profundidade; a outra produz a imagem de foco estendido e alta definição.

A mudança ocorre em milissegundos, rápido o suficiente para alternar entre as duas visualizações quase instantaneamente. Como não há nenhuma peça móvel envolvida, a técnica permite criar dispositivos compactos, estáveis e energeticamente eficientes.

Isso tem inúmeras utilidades. Amostras do mundo real, especialmente tecidos biológicos, dificilmente são planas: As folhas têm nervuras e camadas; as fibras musculares se entrelaçam em profundidade; microrganismos se contorcem enquanto são observados. E os microscópios tipicamente impõem uma escolha entre profundidade reduzida com alta nitidez ou profundidade ampliada com desfoque. Além disso, são necessárias mesas mecânicas para escanear a amostra como um todo, o que é lento e pode gerar borrões nas imagens.

Esta nova metalente coloca as informações de profundidade diretamente na imagem, oferecendo também um modo que preserva detalhes nítidos em uma faixa mais ampla. Nas demonstrações, os pesquisadores mediram a profundidade de estruturas em cerca de 100 micrômetros (mais ou menos o diâmetro de uma célula do coração) e geraram mapas codificados por cores que mostram onde as estruturas se encontram em três dimensões. Tudo com uma única metalente e um pequeno controle elétrico.

Além dos microscópios de laboratório, a metalente eletricamente controlável poderá permitir miniaturizar câmeras de detecção de profundidade, aprimorar endoscópios e viabilizar ferramentas médicas portáteis que alternem eletronicamente entre tarefas. Mais amplamente, lentes planas e programáveis podem substituir quaisquer conjuntos volumosos de vidro, resultando em dispositivos mais leves, rápidos e portáteis.