Visión perfecta con metalentes respaldadas por inteligencia artificial

Los sistemas modernos de captación de imágenes, como los que se utilizan en los teléfonos inteligentes, en la realidad virtual y en los dispositivos de realidad aumentada, son objeto de continuadas mejoras, ya que se busca que sean más compactos, más eficientes y con mayor rendimiento. Pero el camino es difícil.

Los sistemas ópticos tradicionales de muy pequeño tamaño se basan en voluminosas lentes de cristal, y presentan limitaciones como aberraciones cromáticas, baja eficiencia en múltiples longitudes de onda y tamaños físicos mayores que los deseados. Estos inconvenientes plantean problemas a la hora de diseñar sistemas más pequeños y ligeros que sigan produciendo imágenes de alta calidad.

Para superar estos problemas, se inventaron las metalentes, lentes ultradelgadas compuestas de minúsculas nanoestructuras capaces de manipular la luz a escala nanométrica. Las metalentes ofrecen un enorme potencial para miniaturizar los sistemas ópticos, pero no están exentas de dificultades, sobre todo cuando se trata de captar imágenes a todo color sin distorsiones.

Ahora, un equipo encabezado por Joonhyuk Seo, de la Universidad de Hanyang en Seúl, Corea del Sur, ha creado un innovador sistema que combina metalente con inteligencia artificial, logrando superar muchas de esas limitaciones de las metalentes. Las imágenes resultantes son de alta resolución, sin aberración y de colores perfectos, y el sistema sigue siendo minúsculo.

La metalente se fabrica mediante litografía de nanoimpresión, un método rentable y apto para la producción a gran escala, seguido de deposición de capas atómicas, lo que permite la producción a gran escala de estas lentes.

La metalente, fabricada mediante un proceso barato y apto para una producción a escala industrial, está diseñada para enfocar la luz de forma eficiente pero, como la mayoría de las metalentes, sufre aberración cromática y otras distorsiones debido a su interacción con luz de diferentes longitudes de onda. Para solucionarlo, al sistema de inteligencia artificial (concretamente de la modalidad conocida como “aprendizaje profundo”) se le entrena para que sea capaz de reconocer y corregir las distorsiones cromáticas y el desenfoque causados por la metalente. El sistema aprende de un gran conjunto de datos de imágenes y aplica estas correcciones a futuras imágenes captadas por él.

El sistema de inteligencia artificial consta de dos redes neurales, que son entrenadas juntas. Una red genera imágenes corregidas y la otra evalúa su calidad, empujando al sistema a mejorar continuamente. Además, técnicas avanzadas ayudan al sistema a comprender cómo cambian las distorsiones de la imagen en función del ángulo de visión. El resultado son mejoras significativas en las imágenes procesadas, sobre todo en cuanto a precisión cromática y nitidez en todo el campo de visión.

 

A la izquierda, una metalente, compuesta de un conjunto de nanoestructuras con ángulos de rotación arbitrarios, adquiere una imagen. A la derecha, esta imagen es procesada mediante inteligencia artificial y el resultado final es una reproducción muy fiel de aquello que ha sido fotografiado. (Ilustración: Seo et al., doi 10.1117/1.AP.6.6.066002.)

El sistema produce imágenes que rivalizan en calidad con las de los voluminosos objetivos de las cámaras tradicionales.

Esta innovación tiene el potencial de revolucionar una amplia gama de sectores, desde el de los teléfonos inteligentes hasta el de las cámaras digitales, pasando por la realidad virtual y la realidad aumentada.

Joonhyuk Seo y sus colegas exponen los detalles técnicos de su innovadora metalente con inteligencia artificial en la revista académica Advanced Photonics, bajo el título “Deep-learning-driven end-to-end metalens imaging”. (Fuente: NCYT de Amazings)