Tratamiento de la luz para conseguir imágenes más nítidas

Cuando los fotógrafos realizan un zoom sobre un objeto para verlo mejor, pierden la perspectiva de gran angular, por lo que se ven obligados a renunciar al “panorama general” en el contexto del detalle. Pero ahora un método de imagen desarrollado por los ingenieros de Princeton podría dar lugar a lentes que muestran todas las partes de la escena a la vez con el mismo nivel de detalle. El nuevo método podría ayudar a construir microscopios más poderosos y otros dispositivos ópticos.

“Le permite tener una mirada más cercana a un objeto sin limitar su campo de visión”, decía Jason Fleischer, profesor asistente de ingeniería eléctrica en la Universidad Princeton y director de la investigación. El estudio, desarrollado en colaboración con los estudiantes de posgrado Christopher Barsi y Wenjie Wan, se ha publicado como el artículo de portada en la edición de abril de la revista Nature Photonics.

Las cámaras y otros dispositivos ópticos (incluido el ojo humano) están limitados por la cantidad de luz que pueden recoger a través de las aberturas de sus lentes. Para que un rayo de luz sea grabado, tiene que pasar a través de la lente y alcanzar el dispositivo “detector”, tales como la retina del ojo o un detector de una cámara digital. Sin embargo, muchos rayos de luz nunca alcanzan al detector, ya sea porque son demasiado débiles, o porque se desvían.

Este problema es especialmente grave con los detalles que son más pequeños que la longitud de onda de la luz. (Cada color de la luz tiene una longitud de onda, el color verde, por ejemplo, tiene una longitud de onda de 530 nanómetros, aproximadamente del tamaño de una bacteria típica de estructura interna). Los rayos de luz de esos minúsculos elementos desaparecen antes de que lleguen a la lente. Para captar estos rayos, los dispositivos han de sondar muy cerca de la superficie del objeto, y escanearla punto por punto, componiendo una imagen completa.

El nuevo método aborda las deficiencias de las pequeñas aberturas aprovechando las propiedades inusuales de unas sustancias llamadas materiales ópticos no lineales. Las lentes convencionales compuestas de materiales tales como vidrio o plástico, hace que los rayos de luz pasen a través sin interactuar entre sí. En materiales no lineales, los rayos de luz se mezclan con los demás de manera compleja. Gracias a la mezcla de los rayos, hace que la información consiga llegar a la cámara.

La imagen de una lente no lineal, por lo tanto, es rica en detalle. Lamentablemente, también podría producir distorsiones, lo cual es inútil para la óptica convencional. Pero si la información pudiese ser descodificada, un ordenador podría reconstruir la imagen en alta resolución sin ninguna distorsión en toda la escena. “En esa imagen es como si en todas partes se hubiese aplicado un zoom al mismo tiempo”, decía el profesor Fleischer.

Hasta ahora, los científicos han conseguido esta descodificación y reconstrucción sólo en configuraciones altamente complejas. Esto se debe en parte a que las cámaras y otros equipos ópticos típicamente no consiguen registrar la información visual completa, sólo registran el color y el brillo, las propiedades que se perciben en la experiencia cotidiana. Gran parte de la información esencial para la recuperación de los detalles de un objeto o escena es capturada por otra propiedad de la luz llamada fase, que mide el momento y el lugar de un pico de onda.

Para capturar la información visual no lineal dado por su material, el equipo de ingenieros de Princeton tomó un tipo de fotografía especial, llamado holograma, que registra la fase, estos datos fueron combinados con los de una cámara normal. Como primer paso en la tramitación de toda esta información, se creó un modelo simplificado del flujo de luz a través de un material no lineal. A continuación se desarrolló una técnica matemática que toma la imagen distorsionada y trabaja hacia atrás para calcular la información visual en cada punto del espacio entre la imagen y el objeto. Este método permite crear imágenes de alta resolución en cualquier punto elegido, en la cámara, en la ubicación del objeto en sí, o en algún punto intermedio.

Armado con estas técnicas, el equipo de Princeton creó su sistema de imágenes. El componente básico es un mezclador de onda no lineal, tiene el tamaño de una pastilla rectangular y posee un cristal formado por un material compuesto por niobato de estroncio de bario. Al capturar la información que normalmente se pierde, el nuevo método podría mejorar en gran medida la resolución mediante la luz normal, permitiendo a los científicos desarrollar microscopios y otros dispositivos capaces de alcanzar la llamada super-resolución. Los métodos convencionales pueden alcanzar una resolución similar utilizando la luz ultravioleta o los rayos X, que tienen longitudes de onda mucho menor que la luz visible, pero este tipo de radiación daña a las células vivas.

Otra posible aplicación del método puede darse en la litografía (grabado fino de patrones en las superficies) que es un paso clave en la fabricación de chips informáticos, dispositivos biomédicos y otros componentes miniaturizados. Otro uso podría ser interesante en la tomografía, una tecnología que se utiliza a menudo para obtener imágenes en 3D de las partes del cuerpo para diagnósticos médicos. Los métodos actuales suelen tener una serie de imágenes 2D en diversos puntos de vista diferentes, fusionándose finalmente en una imagen 3D. En contraste, el nuevo sistema permite calcular directamente la información visual de las imágenes en un solo punto de vista en 3D, pudiendo así simplificar la configuración. Además de explorar algunas de estas posibilidades, los ingenieros están trabajando ahora en el desarrollo de una mejor lente de material no lineal y la mejora de su reconstrucción técnica.

Más información: Universidad de Princeton, Escuela de Ingeniería