In een recent artikel in Light:Science &Applications, Onderzoekers van de Universiteit van Rochester, Jannick Rolland en Jacob Reimers, beschrijven een optisch apparaat met mogelijke toepassingen, variërend van verbeterde satelliet- en diagnostische beelden tot het nauwkeuriger afstemmen van de verfkleur op een woonkamermuur.

Het apparaat is een soort spectrometer - een optisch instrument dat licht opneemt en opsplitst in componenten om een ​​catalogus met informatie over een object te onthullen.

In tegenstelling tot traditionele spectrometers, echter, deze is ontworpen met behulp van vrije vorm optica, een relatief recente vooruitgang die meer dan een eeuw optisch ontwerp op zijn kop zet.

Al meer dan 125 jaar optisch ontwerp was beperkt tot het gebruik van rotatiesymmetrische, vaak perfect bolvormige oppervlakken die in ronde buizen zijn geplaatst, bijvoorbeeld spiegelreflexcamera's en microscoopobjectieven. Elk lenselement in een dergelijk ontwerp kan tot 15 aberraties bijdragen die het gezichtsveld en de resolutie beperken.

De komst van computergestuurde numerieke besturing en nieuwe technologie voor het draaien van diamanten heeft het zowel haalbaar als economisch gemaakt om veel gecompliceerder, vrije vorm optische oppervlakken die afzien van rotatiesymmetrie. Dankzij het vrije-vormontwerp kan een apparaat aberraties efficiënt corrigeren met minder, kleinere lenzen en spiegels. Het resultaat, onderzoekers zeggen, zullen sensoren zijn, mobiele schermen, en tal van andere apparaten die niet alleen kleiner van formaat zijn, lichter van gewicht, en minder duur, maar presteren ook beter dan die met traditionele lenzen en spiegels.

Reimers, een promovendus en de hoofdauteur, en Rolland, de Brian J. Thompson hoogleraar Optical Engineering en de scriptieadviseur van Reimers, beschrijf een spectrometer met behulp van drie vrije-vorm oppervlaktespiegels. Functies:

• Het is vijf keer compacter dan vergelijkbare spectrometerontwerpen die meer conventionele spiegels gebruiken.
• Het maakt een drievoudige toename van de geanalyseerde bandbreedtes mogelijk.
• Het is 65 keer effectiever in het corrigeren van aberraties die het gezichtsveld en de resolutie beïnvloeden.

"Spectrometers bewaken de omgeving, helpen bij het onderzoeken van patiënten, en worden algemeen gebruikt voor vele andere toepassingen. Wat we hier hebben gevonden, kan worden toegepast op spectrometers die in al deze andere toepassingen worden gebruikt, ", zegt Rolland. "Dat is de kracht van vrije vorm optiek."

Het project wordt gefinancierd door het University's Centre for Freeform Optics (CeFO), een samenwerkingsinitiatief gefinancierd door de National Science Foundation en geleid door Rolland, waarbij ook de Universiteit van North Carolina in Charlotte en meerdere industriële partners betrokken zijn wiens lidmaatschapsgeld het onderzoek financiert. Het doel van het centrum is om precompetitieve projecten te promoten die vrije-vormoptiek van het laboratorium naar industriële toepassingen brengen.

De door de twee onderzoekers beschreven spectrometer is gebaseerd op de Offner-Chrisp-geometrie, veel gebruikt door de optische industrie om aberraties te corrigeren die worden veroorzaakt door meer conventionele oppervlakken.

"Begin met een begrepen, goed gecorrigeerde geometrie was belangrijk, omdat we konden laten zien hoe we het nog beter kunnen maken met vrije vorm optiek, ", zegt Reimers. "Het is een geometrie die verschillende van onze CeFO-industriepartners onderschreven."

Het artikel richt zich op de wetenschap achter het ontwerpen van een spectrometer met vrije vorm. Een ander artikel gepubliceerd in juni in Optics Express, een Optical Society Journal, gericht op de fabricage en het testen van het convexe rooster. Twee toekomstige artikelen, co-auteur van onderzoekers van zowel Rochester als UNC-Charlotte, zal de fabricage van de spiegels beschrijven, evenals de fabricage en montage van het volledige prototype.

"Het mooie aan wat Jacob heeft gedaan, is om niet zomaar een ontwerp te bedenken, maar om de wetenschap erachter te laten zien, en waarom het beter is, ’ zegt Rolland.