Câmeras digitais comuns geram imagens 3D

Redação do Site Inovação Tecnológica - 31/03/2022

Protótipo de demonstração da tecnologia, usando uma câmera digital comum e alguns filtros.
[Imagem: Andrew Brodhead]

Radar de luz

Os sensores de imagem das câmeras digitais, presentes em praticamente todos os celulares, capturam a intensidade da luz e a cor. Isso significa que eles enxergam o mundo em apenas duas dimensões, capturando imagens planas, como um desenho.

Pesquisadores da Universidade de Stanford, nos EUA, criaram agora uma nova abordagem que permite que esses mesmos sensores de imagem, conhecidos como CCDs, capturem uma dimensão adicional da luz, gerando imagens 3D.

Isto significa que, além de gerar imagens tridimensionais, essas câmeras comuns poderão em breve ser usadas para medir a distância dos objetos, elevando a um novo nível a tecnologia LIDAR, ou radar de luz, utilizada pelos carros autônomos para evitar colisões.

O LIDAR é como um radar, mas com luz em vez de ondas de rádio. Ao irradiar um laser para os objetos e medir a luz que é refletida, ele pode dizer a que distância o objeto está, quão rápido ele está viajando, se está se aproximando ou se afastando e, mais criticamente, pode calcular se os caminhos de dois objetos em movimento se cruzarão em algum ponto no futuro.

Esta nova tecnologia pode fazer a diferença porque, em lugar dos verdadeiros trambolhos instalados no teto dos carros autônomos, tudo poderá ser feito com uma câmera miniaturizada. Além disso, o LIDAR poderá contar com a alta resolução das câmeras digitais, o que não é possível com os sistemas de laser atuais.

Modulador de luz por ressonância acústica

Uma abordagem para adicionar imagens 3D aos sensores CCDs padrão é obtida adicionando uma fonte de luz (o que é simples) e um modulador (nada simples), que liga e desliga a luz muito rapidamente, milhões de vezes a cada segundo. Medindo as variações na luz, pode-se calcular a distância. Os moduladores atuais já fazem isso, mas exigem quantidades tão grandes de energia que os torna totalmente impraticáveis para o uso diário.

A solução encontrada por Okan Atalar e seus colegas se baseia em um fenômeno conhecido como ressonância acústica, ondas que são aproximadamente 10 mil vezes menores que as ondas eletromagnéticas. A equipe construiu um modulador acústico simples usando uma pastilha fina de niobato de lítio revestido com dois eletrodos transparentes - esse cristal tem excelentes propriedades elétricas, acústicas e ópticas, o que tem gerado inúmeras aplicações de ponta.

Uma característica essencial é que o niobato de lítio é piezoelétrico, ou seja, quando a eletricidade é introduzida através dos eletrodos, a rede cristalina no centro de sua estrutura atômica muda de forma, dando trancos em resposta às ondas elétricas. O resultado é que o cristal vibra em frequências muito altas, muito previsíveis e muito controláveis. E, quando ele vibra, o niobato de lítio modula fortemente a luz. Basta então adicionar alguns filtros polarizadores para ligar e desligar a luz vários milhões de vezes por segundo.

"Além disso, a geometria das pastilhas e dos eletrodos define a frequência da modulação da luz, para que possamos ajustar a frequência. Mude a geometria e você altera a frequência da modulação," detalhou Atalar.

A tecnologia é simples e consome pouquíssima energia.
[Imagem: Okan Atalar et al. - 10.1038/s41467-022-29204-9]

100 vezes menos energia

O melhor de tudo é que o modulador é simples, podendo ser integrado a câmeras comuns, como as de celulares ou SLRs digitais. A equipe acredita que a técnica pode se tornar a base para um novo tipo de LIDAR compacto, de baixo custo e baixo consumo - um "LIDAR CMOS padrão", como eles dizem - que poderá ser usado em drones, robôs espaciais e outras aplicações.

Para provar isso, a equipe construiu um protótipo usando uma câmera digital comum como receptor. O protótipo capturou mapas de profundidade com resolução de megapíxeis, superando os equipamentos de LIDAR mais avançados, e exigindo pouquíssima energia para operar o modulador óptico.

E, com refinamentos adicionais, Atalar contou que a equipe já conseguiu reduzir o consumo de energia em pelo menos 10 vezes o obtido com o protótipo que eles construíram, e que esse melhoramento no qual eles estão trabalhando poderá teoricamente levar a uma redução de energia de várias centenas de vezes. Se isso for realmente possível, o LIDAR em pequena escala, com sensores de imagem padrão - e câmeras de celulares 3D - poderão se tornar realidade.

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