Por Maximiliano Salvador
Una nueva invención inspirada en los ojos de un animal que vivió hace 400 millones de años podría revolucionar el campo de la fotografía. Un equipo de investigadores de China publicó un artículo en la revista Nature donde aseguran que, basándose en un extinto trilobite, han creado un modelo de cámara fotográfica capaz de enfocar un rango ilimitado de distancias, de centímetros a kilómetros, todas al mismo tiempo. Vamos a ver como lo hicieron, pero antes es útil comprender cómo funcionan las lentes tradicionales, las cámaras de fotos que hay disponibles hoy en día en el mercado y un poco sobre el sorprendente animal prehistórico que inspiró este avance.
Lentes Tradicionales
Para poder entender la importancia de este nuevo avance es importante comprender cómo funcionan las lentes tradicionales. Esto incluye tanto las lentes artificiales usadas en anteojos o cámaras como las lentes que se encuentran dentro de los ojos de los humanos y todos los otros animales que ven. Con ese fin los invitamos a probar esta simulación.
Luego de haberse familiarizado con las partes de la simulación y con el fin de entender un modelo simplificado del ojo humano les proponemos dejar fija la pared de la derecha donde se forma la imagen, ver que pasa al mover únicamente la figura a distintas distancias y tratar de que la imagen se vea nítida cambiando únicamente la magnificación de la lente.
El ojo
En el ojo humano, la pared trasera donde se forma la imagen, la retina, no se mueve. Para poder enfocar en objetos a distintas distancias tenemos una lente flexible sujetada por músculos que pueden comprimirla o relajarla para aumentar o disminuir su magnificación, respectivamente, esta lente se llama cristalino. Pero, al igual que en la simulación, sólo puede enfocar a una distancia a la vez, los objetos que se encuentren más lejanos o más cercanos se ven borrosos y para poder verlos nítidamente es necesario cambiar la magnificación del cristalino cada vez.
Diagrama del ojo humano. Fuente: https://bit.ly/3dwDYoz
También con esta simulación podemos notar el funcionamiento de algunos de los problemas de visión más comunes en la sociedad:
En el caso de la miopía, donde los objetos lejanos no pueden ser enfocados nítidamente, podemos ver que en la simulación para enfocar un objeto lejano es necesario una magnificación pequeña, lo que sucede en el caso de quienes sufrimos miopía es que el valor mínimo de magnificación que nuestro cristalino alcanza es más elevado que en otras personas. Puede ser corregido fácilmente colocando delante del ojo una lente divergente (una lente que resulta en magnificación negativa).
En el caso de la hipermetropía, donde los objetos cercanos no pueden ser enfocados nítidamente, sucede exactamente lo contrario: el máximo valor de magnificación que el cristalino alcanza es menor que en otras personas. Puede ser corregido fácilmente utilizando una lente convergente (una lente que resulta en magnificación positiva).
Finalmente, en el caso del astigmatismo, donde los objetos no pueden ser enfocados nítidamente a ninguna distancia, el problema se debe a pequeñas imperfecciones en la córnea o el cristalino, que resultan en una pérdida de simetría de la lente, lo que distorsiona la imagen. Puede ser corregido con lentes, aunque son más complejos que para los casos anteriores. En cualquier caso, la corrección que hacen los anteojos o lentes de contacto a la magnificación de la lente es muy pequeña, menor al 1%, la mayor parte del trabajo de ver lo logra hacer nuestro ojo.
Las cámaras tradicionales
El funcionamiento de las cámaras fotográficas es similar en que la parte trasera donde se forma la imagen es inmóbil pero, a diferencia del ojo, no cuentan con una lente flexible que ajuste la imagen, sino que pueden mover la posición de la lente para ajustar el sistema. En las cámaras profesionales esto se consigue girando la lente principal lo que, como en un tornillo, mueve lentamente la lente hacia adelante o atrás. En las cámaras digitales este movimiento es automático y ocurre dentro del aparato por lo que no es tan evidente, pero definitivamente sucede.
En las fotografías a menudo parece que toda la imagen está enfocada correctamente, este efecto se produce porque usualmente los objetos que queremos fotografiar están a la misma distancia aproximadamente, y porque las cámaras más modernas tienen computadoras que pueden corregir algunos de esos problemas. Pero podemos ver que si ponemos un objeto cercano y otro lejano y tratamos de sacarles una foto donde se vean bien ambos con una cámara común, no lo lograremos. Algunos celulares modernos usan cámaras adicionales para tomar fotos con foco a distintas distancias para compararlas y aumentar la nitidez, pero incluso esta tecnología está limitada.
En la imagen puede observarse lo que ocurre con la nitidez. Arriba: imagen capturada con foco cercano. En el medio: foco lejano y abajo: imagen tomada por la cámara plenóptica. Fuente: https://bit.ly/3BYbbT8
Cámaras Plenópticas
Las cámaras plenóticas intentan formar imágenes que sean nítidas para todas las distancias. Para conseguir esto utilizan varios miles de microlentes que toman imágenes pequeñas con foco a distintas distancias y luego, por medio de una computadora, las combinan en una imagen completa.
La principal desventaja de este sistema actualmente es que se pierde resolución de imagen, las cámaras plenópticas que se encuentran en el mercado llegan a resoluciones de imagen de 4 MP (megapixeles), cuando las cámaras comunes de los celulares de gama media ya rondan los 48 MP. Además, si bien la imagen anterior se ve nítida en la mayoría de las distancias, el rango de distancias donde funciona (la profundidad de campo) está limitado. Se puede observar, por ejemplo, que algunos elementos del fondo como la lata y la puerta están ligeramente borrosos.
La cámara que discutiremos más adelante busca mejorar este diseño para conseguir imágenes que sean nítidas a un rango mayor de distancias y sin sacrificar resolución de imagen.
El Trilobite, un antecedente interesante
Los trilobites fueron un grupo de animales artrópodos, parientes muy lejanos de los actuales insectos, arañas y crustáceos, que vivieron en la era paleozoica, entre los 522 y 252 millones de años atrás. Se han identificado más de 20.000 especies de trilobites, algunas de ellas vivían en el fondo marino, en zonas arenosas o barrosas, inclusive en arrecifes de corales como depredadores, carroñeros o filtradores, otras podían nadar e incluso hay evidencia que apunta a que algunas salieron del mar para caminar por la tierra en las zonas costeras. Algunos tenían docenas de ojos mientras que otros no tenían ninguno, algunos tenían cabezas mientras que otros no. Fueron tan abundantes en algunos lugares que los estratos de rocas actuales están atestados con sus restos.
Roca con fósiles de distintas especies de trilobites. Fuente: https://bit.ly/3BYbbT8
Los últimos trilobites se extinguieron hace unos 252 millones de años en la extinción masiva del Pérmico-Triásico, también llamada la Gran Mortandad, el mayor evento de extinción registrado. Esta catástrofe se debió a un rápido aumento de la temperatura global y acidificación del océano por disolución de dióxido de carbono y metano, resultado de un pico en la actividad volcánica y la quema o descomposición de hidrocarburos cercanos a dichos volcanes.
La especie Dalmanitina Socialis vivió hace unos 400 millones de años y es muy interesante porque tenía unos ojos únicos: le permitían enfocar al mismo tiempo objetos cercanos (para buscar su presa) y objetos lejanos (para evitar depredadores), pero su visión era borrosa en las distancias intermedias. Ningún otro organismo conocido tiene o tuvo esa peculiaridad en sus ojos. Debemos aclarar que estas conclusiones se obtuvieron al analizar en mucho detalle las estructuras de los ojos de trilobites fosilizados.
Los trilobites de esta especie tenían un ojo compuesto, formado por cientos de lentes y unidades receptivas idénticas, similares a las que tienen muchos insectos hoy en día. Pero, donde los insectos modernos tienen lentes comunes como las que discutimos anteriormente, los ojos de Dalmanitina Socialis poseían lentes complejas, con dos magnificaciones distintas superpuestas. El material que constituia las lentes era la calcita, carbonato de calcio.
Superior izquierda: fósil de trilobite separado que muestra lentes corregidas de la variedad de Huygens. La mayoría de las lentes están completas. Derecha: imagen con aumento del mismo especimen. Inferior izquierda: magnificación de 20X. Fuente: Science News, Volumen. 105, Nº 5, february 2, 1974. p. 74.
Imagen computarizada del trilobite con zoom en su ojo compuesto y luego en cada unidad receptiva. Fuente: https://go.nature.com/3So0UoK
Nuevo avance
Un equipo de investigadores de China y Estados Unidos, inspirados por esta capacidad del ojo del trilobite de enfocar a dos distancias a la vez, se propusieron hacer una lente innovadora que cumpliera la misma función y con ella una cámara plenóptica que pudiera enfocar nítidamente a un rango de distancias más elevado que las cámaras anteriores.
Para lograr el efecto deseado, tuvieron que alejarse de la idea tradicional de lente. Diseñaron una metalente cuadrada, plana y muy pequeña, de 0,15 mm de lado, con 110.000 diminutos nanopilares de TiO2 (dióxido de titanio) de distintos tamaños ordenados como una ciudad, si los rascacielos fueran de un grosor 200 veces menor al de un pelo humano.
Cada uno de estos pilares es capaz de dividir un haz de luz en dos por un efecto llamado birrefringencia. Los tamaños, posiciones y orientaciones de estos pilares son tales que para objetos cercanos uno de esos rayos enfoca en el detector y para los objetos lejanos es el otro haz el que enfoca. Y si, esto significa que por cada uno de los millones de pilares hay un rayo de luz que no enfoca, pero esto no daña la calidad de la imagen porque, como vimos en la simulación, cuando un objeto está mucho más cerca o mucho más lejos de la posición en la que enfoca bien, no se ve nada en la pantalla. Más importante, el detector de la cámara puede determinar de cuál de los dos rayos se trata, lo que le da la información sobre la posición del objeto en cuestión.
Ejemplo de dos rayos de luz partiendo de cada objeto, pasando por el mismo pilar y enfocando en posiciones diferentes. No se muestra el segundo haz después del pilar que no enfoca. Fuente: https://bit.ly/3qXtL7p
Con esto, los investigadores consiguieron un objeto capaz de enfocar a cuerpos cercanos y lejanos al mismo tiempo, algo que nunca antes se había visto en el campo de la óptica. Pero todos los objetos a distancias intermedias entre estos dos quedaban fuera de foco, se veían borrosos. Para solucionar este problema recurrieron a las técnicas usuales de la fotografía plenóptica: Usaron 1521 metalentes iguales (en un cuadrado de 39×39 lentes) y una computadora para unir las imágenes y darles mayor nitidez.
Tuvieron que crear un programa de computadora especializado para el tipo de imágenes que esta disposición proveía y que pudiera corregir todos los errores visuales que se generaban en los bordes de los cuerpos, al igual que cualquier otra cámara plenóptica. El resultado fue una cámara que crea imágenes nítidamente enfocadas a un rango de distancias mucho mayor que cualquier cámara anterior.
A continuación vemos las dos fotografías de ejemplo que el equipo de investigadores tomó para probar el funcionamiento de su cámara. La primera son unas muñecas rusas, matrioshkas, en las que la primera muñeca se encuentra a 30 cm de la cámara y la última a 3,3 m. En la segunda vemos parte de una ciudad con distintos objetos posicionados en los bordes, en los extremos del rango de distancias que cubren tenemos: en la esquina superior derecha las letras “NJU” (Nanjing University, en China) se encuentran a 3 cm de la cámara; mientras que la azotea más alejada se encuentra a 1,7 km de distancia.
Pasos que sigue el proceso de la computadora desde la captura de la imágen hasta el resultado final. La matrioshka más cercana se encuentra a 30cm, mientras que la más lejana se encuentra a 3,3 m. Fuente: https://go.nature.com/3BAMLgX (editado por el autor).
Pasos desde la captura de la imágen hasta el resultado final. a y c son las fotografías individuales tomadas por la cámara. b y d son esas fotografías corregidas por la computadora. e es el resultado final de combinar todas las pequeñas sub-imágenes. Fuente: https://go.nature.com/3BAMLgX (editado por el autor).
Se puede observar que la imagen es decentemente nítida en casi todas las distancias, con la zona más borrosa siendo en la distancia media, en los árboles entre los edificios de dormitorios. Esto representa un importante avance respecto de las cámaras plenópticas anteriores.
Uno se podría preguntar “Si de todas formas cada imágen es tan pequeña que no incluye muchas distancias ¿cuál es la importancia de la nueva metalente?”. En efecto, si uno tuviera lentes tradicionales diseñadas para cada distancia ubicadas en las posiciones exactas que les corresponde, podría recuperar una imagen incluso más nítida. Pero para eso uno tendría que saber con antelación a que distancias van a estar todos los objetos y diseñar su cámara para esa foto específica y no serviría para otras disposiciones, por lo que no es realmente aplicable. Alternativamente, necesitaría que cada una de las miles de lentes pudiera moverse y ajustarse automáticamente, lo cual es un trabajo de ingeniería complejo dado el pequeño tamaño de cada elemento.
Por otro lado, se puede tomar el camino que una empresa de fotografía está siguiendo, usando juegos de 3 lentes con magnificaciones distintas de forma que al menos una de ellas enfoque suficientemente bien. La desventaja en ese caso siendo que se necesitan 3 sub-imágenes capturadas para hacer 1 sub-imagen corregida por computadora, lo que limita la resolución de la fotografía final.
El hecho de que cada una de estas metalentes pueda enfocar a cualquier distancia significa un dispositivo simple, versátil y con buena resolución de imagen que puede enfocar a todas las distancias necesarias.
Bibliografía
https://www.sciencenews.org/article/camera-lens-trilobite-eye-focus-metalens
https://en.wikipedia.org/wiki/Light_field_camera
https://en.wikipedia.org/wiki/Trilobite
https://courses.lumenlearning.com/boundless-physics/chapter/the-human-eye/