Imagina que necesitas hacer una copia casi exacta de un objeto. Ahora imagina que basta con sacar el teléfono inteligente del bolsillo, tomar una instantánea con su generador de imágenes 3D integrado, enviarla a la impresora 3D y, en cuestión de minutos, obtener una réplica del objeto original con una precisión de micras. Este logro podría ser posible pronto gracias a un nuevo generador de imágenes 3D diminuto y de alta resolución desarrollado en Caltech.
Cuando quieras hacer una copia exacta de un objeto con una impresora 3D, el primer paso es obtener un escaneo de alta resolución del objeto con una cámara 3D que mida su altura, anchura y profundidad. La obtención de imágenes 3D existe desde hace décadas, pero los sistemas más sensibles suelen ser demasiado grandes y costosos para usarse en aplicaciones de consumo.
Un nuevo dispositivo económico, compacto y muy preciso, conocido como generador de imágenes coherente nanofotónico (NCI, por sus siglas en inglés), promete cambiar eso. Mediante un chip de silicio económico de menos de un milímetro cuadrado, el NCI ofrece la mayor precisión de medición de profundidad de todos los dispositivos nanofotónicos de obtención de imágenes 3D de este tipo.
El trabajo, realizado en el laboratorio de Ali Hajimiri, titular de la cátedra Thomas G. Myers de Ingeniería Eléctrica en la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, se describe en el número de febrero de 2015 de Optics Express.
En una cámara convencional, cada píxel representa la intensidad de la luz recibida desde un punto específico de la imagen, que puede estar cerca o lejos de la cámara; esto significa que los píxeles no proporcionan información sobre la distancia relativa del objeto a la cámara. En cambio, cada píxel de una imagen creada por el NCI del equipo de Caltech proporciona información tanto de la distancia como de la intensidad. «Cada píxel del chip es un interferómetro independiente —un instrumento que utiliza la interferencia de ondas de luz para realizar mediciones precisas— que detecta la fase y la frecuencia de la señal, además de la intensidad», afirma Hajimiri.
Mapa tridimensional de las colinas y los valles de una moneda estadounidense de un centavo, obtenido con el generador de imágenes coherente nanofotónico a una distancia de 0,5 metros.
El nuevo chip utiliza una tecnología establecida de detección y medición de distancias llamada LIDAR, en la que se ilumina un objeto objetivo con haces láser de barrido. A continuación, se analiza la luz reflejada por el objeto según la longitud de onda de la luz láser utilizada, y el LIDAR puede recopilar información sobre el tamaño del objeto y su distancia al láser para crear una imagen de su entorno. «Al disponer una matriz de pequeños LIDAR en nuestro generador de imágenes coherente, podemos obtener imágenes simultáneas de distintas partes de un objeto o una escena sin necesidad de movimientos mecánicos dentro del generador», explica Hajimiri.
Estas imágenes de alta resolución y la información que proporciona el NCI son posibles gracias a un concepto óptico conocido como coherencia. Si dos ondas de luz son coherentes, tienen la misma frecuencia y sus crestas y valles están perfectamente alineados. En el NCI, el objeto se ilumina con esta luz coherente. A continuación, la luz reflejada por el objeto es captada por detectores en el chip, llamados acopladores de rejilla, que funcionan como «píxeles»: la luz detectada por cada acoplador representa un píxel de la imagen 3D. En el chip del NCI se detectan la fase, la frecuencia y la intensidad de la luz reflejada desde distintos puntos del objeto, y se utilizan para determinar la distancia exacta al punto objetivo.
Como la luz coherente tiene una frecuencia y una longitud de onda constantes, se utiliza como referencia para medir las diferencias en la luz reflejada. De este modo, el NCI usa la luz coherente como una especie de regla muy precisa para medir el tamaño del objeto y la distancia entre cada punto del objeto y la cámara. Después, la luz se convierte en una señal eléctrica que contiene información sobre la intensidad y la distancia de cada píxel: toda la información necesaria para crear una imagen 3D.
La incorporación de luz coherente no solo permite obtener imágenes 3D con el mayor nivel de precisión en la medición de profundidad jamás alcanzado en la fotónica de silicio, sino que también permite que el dispositivo tenga un tamaño muy reducido. «Al acoplar, confinar y procesar la luz reflejada en pequeños conductos en un chip de silicio, pudimos reducir cada elemento LIDAR a tan solo un par de cientos de micras, lo bastante pequeño como para formar una matriz de 16 de estos detectores coherentes en un área activa de 300 micras por 300 micras», afirma Hajimiri.
La primera prueba de concepto del NCI tiene solo 16 píxeles coherentes, lo que significa que las imágenes 3D que produce solo pueden tener 16 píxeles en un momento dado. Sin embargo, los investigadores también desarrollaron un método para obtener imágenes de objetos más grandes: primero capturan una sección de cuatro píxeles por cuatro píxeles y luego desplazan el objeto en incrementos de cuatro píxeles para capturar la sección siguiente. Con este método, el equipo utilizó el dispositivo para escanear y crear una imagen 3D de las «colinas y los valles» de la cara frontal de una moneda estadounidense de un centavo, con una resolución de nivel micrométrico, desde medio metro de distancia.
En el futuro, afirma Hajimiri, la matriz actual de 16 píxeles también podría ampliarse fácilmente hasta cientos de miles. Algún día, al crear matrices tan grandes de estos pequeños LIDAR, el generador de imágenes podría aplicarse a una amplia gama de usos: desde el escaneo e impresión 3D de gran precisión hasta ayudar a los automóviles sin conductor a evitar colisiones y mejorar la sensibilidad al movimiento en interfaces superfinitas entre humanos y máquinas, donde se puedan detectar al instante los movimientos más leves de los ojos de un paciente y los cambios más mínimos en sus latidos cardíacos.
«El pequeño tamaño y la alta calidad de este nuevo generador de imágenes basado en chip reducirán significativamente los costos, lo que permitirá miles de nuevos usos de estos sistemas al incorporarlos en dispositivos personales como los teléfonos inteligentes», afirma.
Este artículo se publica en colaboración con Caltech. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autoría: Jessica Stoller-Conrad escribe para Caltech.
Imagen: Una figura se imprime con la impresora 3D F1 de Aurora durante la exposición Computex de 2014, en el pabellón de exposiciones TWTC Nangang de Taipéi. REUTERS/Pichi Chuang
