Un estudio encuentra los límites últimos de las placas espaciales en los sistemas ópticos

Los ingenieros que trabajan para miniaturizar los sistemas ópticos para la electrónica moderna han tenido un gran éxito en lo que respecta a los componentes más familiares, las lentes y los sensores ópticos. Ha sido más desafiante reducir el tamaño del tercer componente de un sistema óptico, el espacio libre entre la lente y el sensor necesario para que las ondas de luz logren el enfoque.

Los investigadores han estado desarrollando tecnología para reemplazar parte o la totalidad de ese espacio libre con un dispositivo delgado y transparente conocido como placa espacial. Ahora, los investigadores de Cornell dirigidos por el estudiante de doctorado Kunal Shastri y el profesor asistente Francesco Monticone, junto con sus colaboradores, han definido por primera vez los límites fundamentales y prácticos de las placas espaciales en un artículo publicado en la revista. Óptica titulado «¿Hasta qué punto se puede comprimir el espacio? Límites de ancho de banda de las placas espaciales».

«En la búsqueda de miniaturizar los sistemas ópticos», explicó Shastri en el documento, «un aspecto que a menudo se pasa por alto es el gran volumen de espacio libre entre el detector y la lente, o entre las lentes, que es esencial para permitir que la luz adquiera una distancia- fase dependiente y dependiente del ángulo y lograr, por ejemplo, enfocar a una cierta distancia».

La longitud del espacio libre detrás de una lente es fundamental para la capacidad de la lente para enfocar una imagen en el sensor o en la película, como era el caso antes de las cámaras digitales. El espacio libre permite que las ondas de luz provenientes de diferentes direcciones después de la lente se propaguen y adquieran la fase suficiente para converger en el punto focal: el sensor. Esta es una de las razones por las que los objetivos de las cámaras diseñados para enfocar y ampliar un sujeto lejano, por ejemplo, los teleobjetivos, son tan largos. Las placas espaciales están diseñadas para imitar la respuesta de fase óptica del espacio libre en una longitud mucho más pequeña.

Monticone, en colaboración con el exestudiante de doctorado Aobo Chen, había utilizado previamente simulaciones por computadora para diseñar placas espaciales escalables y para demostrar cómo funcionarían en un sistema óptico. Este nuevo trabajo amplía esa investigación al definir los límites de la capacidad de una placa espacial para maximizar tres parámetros ópticos fundamentales: relación de compresión, apertura numérica y ancho de banda.

«Es muy complicado cumplir con estos tres objetivos al mismo tiempo», explicó Monticone, «tener la máxima relación de compresión y, al mismo tiempo, también maximizar la apertura numérica y el ancho de banda. En este artículo tratamos de aclarar el mecanismo físico general detrás de cualquier efecto de compresión espacial, independientemente de cómo implemente la placa espacial».

Las investigaciones anteriores sobre la tecnología de placas espaciales habían producido diseños funcionales pero poco prácticos o ineficientes que funcionaban para un solo color, o para una pequeña gama de ángulos, o que necesitaban sumergirse en un material con un alto índice de refracción, como el aceite. Estos dispositivos no podrían usarse para miniaturizar los sistemas ópticos típicos.

«Hay mucho interés en saber si las placas espaciales funcionarían para todo el espectro visible de luz y en el espacio libre, y nadie estaba seguro de que pudiéramos hacerlo», dijo Shastri. «Así que realmente queríamos ver si había algún límite físico que impidiera que las placas espaciales funcionaran para cámaras reales en todo el ancho de banda visible».

Shastri explicó que los límites que definen en este artículo recientemente publicado les dirán a otros ingenieros que trabajan en el campo qué tan lejos o qué tan cerca están de los límites fundamentales globales de los dispositivos de placas espaciales que están diseñando. «Y eso es, creo, muy valioso», dijo Shastri. «Esa es la razón por la que escribimos este artículo».

Las placas espaciales se pueden diseñar utilizando los mismos materiales con los que están hechos los sistemas de imágenes convencionales, ya sean capas de vidrio y otros materiales transparentes con diferentes índices de refracción, una superficie estampada o una losa de cristal fotónico, cualquier estructura que proporcione un contraste suficiente en el índice de refracción. pasando de un material a otro. El factor clave es que la placa espacial debe ser altamente transmisiva; no quieres que absorba la luz.

«En la implementación más simple posible», dijo Monticone, «una placa espacial podría fabricarse como una pila de capas, y las capas tendrían al menos dos índices de refracción diferentes. Al optimizar el grosor y el espaciado, puede optimizar la respuesta óptica». «

Las aplicaciones de la tecnología spaceplate no se limitan a las cámaras. Las placas espaciales podrían miniaturizar proyectores, telescopios e incluso antenas haciendo uso de una gama más amplia del espectro electromagnético. Monticone y Shastri están ansiosos por ir más allá de los modelos de computadora que han estado usando y diseñar experimentos físicos con placas espaciales fabricadas.

«El siguiente paso será la demostración experimental de una placa espacial que funcione en el espacio libre a frecuencias ópticas», dijo Monticone. «Usando métodos de diseño computacional, buscaremos optimizar las placas espaciales para que funcionen lo más cerca posible de nuestros límites fundamentales. Quizás podamos combinar una lente plana y una placa espacial dentro de un solo dispositivo, realizando lentes planas, monolíticas y ultradelgadas. sistemas ópticos para una variedad de aplicaciones».