Fotografia

Il genio italiano per le lenti ultra sottili degli smartphone del futuro

Tre anni fa un team di ricercatori della Harvard School of Engineering, composto dal professor Federico Capasso e da un altro italiano, Francesco Aieta, sviluppò una lente di nuova concezione con una capacità di messa a fuoco vicina al limite fisico imposto dalle leggi della diffrazione e prive di aberrazioni geometriche e cromatiche.

Un'innovazione potenzialmente molto importante per il settore delle fotocamere, bissata di recente dal raggiungimento di un nuovo traguardo. I ricercatori hanno infatti realizzato un componente ottico totalmente piatto e ultrasottile, composto da un substrato di vetro e di piccole antenne in silicio che concentrano la luce.

team capasso aieta
Da sinistra a destra: Francesco Aieta, Federico Capasso e Patrice Genevet

La luce che impatta su questo componente si piega immediatamente, piuttosto che gradualmente, mentre vi passa attraverso. Gli effetti di piegamento possono essere pensati in anticipo tramite un algoritmo e perfezionati per adattarsi a qualsiasi scopo.

In questo modo i ricercatori di Harvard hanno superato un problema intrinseco di una lente sottilissima: la luce a differenti lunghezze d'onda risponde alla superficie in modo molto diverso. Finora tale fenomeno ha impedito alle ottiche planari di essere usate con la luce a banda larga (broadband light).

Invece di trattare tutte le lunghezze d'onda in modo uguale, i ricercatori hanno concepito una lente piatta con antenne che compensano le differenze nella lunghezza d'onda e producono un effetto costante, deviando tre fasci di colori diversi dello stesso angolo o concentrando quei colori su un singolo punto.

"Questo significa che effetti complessi come la correzione del colore, che in un sistema ottico convenzionale richiederebbero il passaggio della luce attraverso una serie di lenti spesse in sequenza, possono essere raggiunti in un dispositivo miniaturizzato estremamente sottile", ha detto il professor Federico Capasso. Bernard Kress, Principal Optical Architect di Google [X], ha espresso forte interesse per il lavoro svolto dai ricercatori, ma non è chiaro se l'azienda intenda sfruttarlo a fini commerciali.

Le nuove lenti, chiamate "achromatic metasurface", migliorano nettamente la lente piatta realizzata tre anni fa. Quel prototipo, il primo del suo genere, correggeva alcune delle aberrazioni delle lenti tradizionali ma soffriva di limiti nel focalizzare la luce di una singola lunghezza d'onda e la sua efficienza nella focalizzazione era ridotta.

lenti achromatic metasurface
Lenti tradizionali (a sinistra) e  achromatic metasurface (a destra).

Il nuovo modello usa per le nanoantenne un materiale dielettrico piuttosto che un metallo, un cambiamento che migliora nettamente l'efficienza e, insieme a un nuovo approccio di design, consente il funzionamento su una gamma di lunghezze d'onda più ampia.

Il nuovo design permette la creazione di due differenti dispositivi ottici piatti. Il primo, invece di inviare differenti colori in direzioni differenti come un reticolo convenzionale, deflette tre lunghezze d'onda di luce esattamente dello stesso angolo. Nel secondo dispositivo le tre lunghezze d'onda possono essere tutte focalizzate sullo stesso punto.

Una lente piatta può perciò creare un'immagine a colori – focalizzando per esempio rosso, verde e blu. Le simulazioni del team suggeriscono anche che un'architettura simile può essere usata per lenti che collimano più lunghezze d'onda diverse, non solo tre.

"Questo è un passo in avanti importante nella creazione di una tecnologia ottica planare miniaturizzata che supera i limiti delle ottiche piatte standard, note come ottiche diffrattive", ha affermato Capasso, il quale non si aspetta prodotti consumer basati su questa tecnologia prima di 5 anni. Devono essere compiuti ancora diversi miglioramenti e questo è un po' un peccato perché osservando la situazione attuale in ambito smartphone le nuove lenti farebbero sicuramente comodo a più di un produttore.

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Nell'iPhone 6, per esempio, la fotocamera posteriore è composta da cinque lenti individuali poste una sopra l'altra, e questo fa fuoriuscire l'ottica rispetto al profilo del terminale. Una necessità che mal si concilia sia con il design che con la resistenza del prodotto stesso: una fotocamera "a sbalzo" è certamente più incline a danneggiamenti rispetto a una integrata nel profilo del terminale.

Con le lenti "metasurface" non ci sarebbero questi problemi. Al momento però le nuove lenti funzionano solamente vicino alla gamma dell'infrarosso, un aspetto che le rende inadeguate per la fotografia tradizionale che richiede la capacità di focalizzare la luce compresa nell'intero spettro visibile.

Capasso ritiene che si possa affrontare il problema e che comunque la sua tecnologia potrebbe anche trovare spazio negli schermi RGB, dove la possibilità di selezionare diverse lunghezze d'onda della luce può aiutare. L'Office of Technology Development di Harvard ha comunque depositato un brevetto provvisorio sulla nuova tecnologia ottica e sta "attivamente perseguendo opportunità commerciali".