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La detección angular es algo difícil de lograr con los sensores modernos. ¿Qué podría ofrecer esta funcionalidad? ¿Y qué tiene que ver con las orejas de gecko?

Investigadores de la Universidad de Stanford han creado una configuración experimental que puede ver futuras cámaras y otros sistemas de detección de luz que registran tanto la intensidad como el ángulo de la luz entrante.

El problema de la detección angular

Todas las cámaras de consumo en el mercado utilizan sensores de imagen (como un CCD o CMOS) para grabar imágenes fijas o grabar video. Esta captura de imágenes se realiza registrando la intensidad de los fotones entrantes.

El ángulo al que estos fotones entran en la cámara no se registra. Tales datos, sin embargo, podrían ser muy útiles con una aplicación particular en mente: enfocar.

Una cámara que puede registrar tanto la intensidad como el ángulo de la luz entrante podría usar esos datos para enfocar una imagen en una publicación (es decir, después de que se haya tomado la imagen). También podría usar información angular para ayudar con el enfoque sobre la marcha utilizando triangulación. Se pueden usar dos detectores de ángulo separados por un ángulo dado para determinar la distancia de una fuente de luz con el uso de la regla del seno y el coseno en la trigonometría.

Sin embargo, la detección del ángulo de la luz entrante es compleja y requiere equipos tales como lentes múltiples. Si bien un nano-sensor sería útil (ya que podría crecer en el sensor de la cámara directamente), hay un problema con la detección de "sub-longitud de onda". Para comprender mejor este problema en acción, podemos observar el reino animal con detección de sonido y posicionamiento.

Ángulo de luz y orejas de gecko

Los animales con orejas cuyo espaciado es mayor que las longitudes de onda de sonido típicas (8 ~ 30 cm) pueden determinar la dirección del sonido entrante a través de la diferencia de tiempo a medida que las ondas de sonido llegan a cada oreja.

Por ejemplo, una onda de sonido que llega a la oreja derecha antes de la oreja izquierda debe haberse originado en una dirección hacia la oreja derecha. Este tipo de detección de posición solo es posible debido al tiempo que tardan las ondas de sonido en propagarse (300 m / s), así como a la velocidad relativa de las transmisiones neuronales, de modo que las neuronas pueden procesar suficiente información antes de que una onda de sonido llegue al segundo oído. Los animales que son mucho más pequeños que estas longitudes de onda comunes se dice que son "sub-longitud de onda" y no pueden usar esta técnica para determinar la dirección de una fuente de sonido. La mayoría de estos animales pueden determinar la posición con el uso de una cavidad conectada que conecta ambos tímpanos acústicamente.

Cuando la onda de sonido llega a un tímpano primero, causa un cambio en la cavidad entre los dos tímpanos y esto hace que la capacidad de detección del otro tímpano disminuya. A pesar de que cada tímpano recibirá una señal que es esencialmente idéntica en amplitud, el tímpano para detectarla afectará primero al otro tímpano y esta diferencia se detecta fácilmente. Una criatura en particular que utiliza este método es el gecko, que tiene una cavidad acústica que une ambos tímpanos y le permite determinar la dirección de la fuente de sonido.

Entonces, ¿se puede utilizar esta técnica de acoplamiento para determinar el ángulo de la luz entrante con sensores que se consideran "sub-longitud de onda"? ¡La Universidad de Stanford acaba de responder esta pregunta!

Nanocables y detección angular

Investigadores de la Universidad de Stanford han creado una configuración experimental en la que pueden determinar el ángulo de luz entrante. La configuración se basa en el acoplamiento de dos nanocables de silicio que pueden interferir entre sí cuando reciben fotones entrantes. Los dos cables, que son de 100 nm tanto en anchura como en altura, son mucho más pequeños que la longitud de onda de los fotones entrantes y están colocados a una distancia de 100 nm entre sí.

Cuando los fotones entrantes llegan primero a uno de los cables, se produce una dispersión de Mie, lo que esencialmente significa que la capacidad de absorción del segundo cable se ve afectada. Dado que ambos cables están acoplados ópticamente y la corriente fotoeléctrica es proporcional al ángulo de la luz entrante, el ángulo se puede determinar fácilmente.

Se realizó el mismo experimento, pero con una separación de cables de 2um para demostrar que es la proximidad lo que une los cables y que el experimento no mostró acoplamiento.

Nanocables como se muestra en el anuncio de Stanford en el 2012 sobre la soldadura de nanocables con luz. Imagen de la Universidad de Stanford.

Los investigadores, sin embargo, llevaron su experimento un paso más allá y construyeron detecciones de dos ángulos. Luego, los dos detectores se separaron por una distancia conocida y, utilizando las lecturas de corriente diferencial de cada sensor, pudieron triangular la fuente de luz y, por lo tanto, conocer su distancia. De acuerdo con su triangulación, las distancias desde una fuente de luz se pueden determinar con una precisión de un centímetro dentro de un rango de 10 metros. Curiosamente, este método de búsqueda de rango es considerablemente menos complejo que el uso de dispositivos electrónicos de alta velocidad que disparan un rayo láser y luego cronometran el viaje de regreso.

Aplicaciones potenciales: cámaras, visión artificial, realidad aumentada

El uso de sensores de nanocables para la detección angular podría afectar a los sensores de la cámara en una serie de escenarios que necesitan realizar una detección angular o a distancia sin la necesidad de hardware complejo.

Por ejemplo, los sistemas LiDAR utilizan un espejo giratorio y un láser junto con una electrónica de alta velocidad para programar el viaje de regreso de un láser. Si bien este método es confiable y ya está en uso, generalmente requiere partes voluminosas (como motores y espejos), además de tener una distancia de detección mínima.

Sin embargo, es posible que los nanocables no tengan una medición de distancia mínima debido al hecho de que operan alrededor del comportamiento de los fotones en el mundo real en lugar de una CPU y un contador. Un sistema LiDAR que utiliza nanocables aún necesitaría un espejo giratorio con un láser, pero no habría necesidad de una CPU con temporizador y los resultados se podrían leer incluso con el microcontrolador más simple. También podría usarse un láser fijo, que actuaría como un buscador de rango láser, pero todo el sensor y la configuración del láser podrían encajar fácilmente en un solo paquete IC.

La detección angular, como se indicó anteriormente, podría ser potencialmente útil para la fotografía. Mientras que los fotógrafos profesionales suelen utilizar el enfoque manual, la mayoría de los usuarios novatos utilizarán el enfoque automático. Autofocus se puede lograr utilizando múltiples métodos. Un ejemplo simple de uno de estos métodos implica la detección de contraste y nitidez, por lo que un objeto que debe enfocarse debe tener un cambio brusco en el contraste entre este y el fondo. La lente se ajusta hasta que se detecta el cambio más grande, momento en el que la cámara considera el objeto enfocado.

Sin embargo, los sensores de detección angular podrían proporcionar información tanto angular como de dirección que indicaría a la cámara exactamente a qué distancia está el sujeto. Por lo tanto, en lugar de adivinar si la imagen está enfocada, la cámara podría ajustar la configuración de enfoque de la cámara (estas configuraciones a menudo se muestran como una distancia al objeto). Esto podría proporcionar un camino hacia las cámaras sin lentes.

Esta funcionalidad también tiene ramificaciones para las aplicaciones de visión robótica, que proporcionan datos adicionales para que los procesadores los utilicen, por ejemplo, en la guía de vehículos autónomos. La realidad aumentada, que se basa en los datos de los sensores para poblar gráficos sobre el entorno existente, podría ver una revolución, ya que el enfoque más avanzado y la detección de distancias permiten experiencias aumentadas más inmersivas.

Puedes leer más sobre la investigación en la revista. La nanotecnología de la naturaleza.

La imagen que se muestra incluye la imagen de los nanocables utilizados por cortesía de la Universidad de Stanford.