Ingenieurs die werken aan het miniaturiseren van optische systemen voor moderne elektronica hebben veel succes geboekt als het gaat om de meest bekende componenten, de lenzen en optische sensoren. Het was een grotere uitdaging om de grootte van het derde onderdeel van een optisch systeem te verkleinen, de vrije ruimte tussen de lens en de sensor die nodig is om lichtgolven te laten focussen.

Onderzoekers hebben technologie ontwikkeld om een ​​deel of al die vrije ruimte te vervangen door een dun, transparant apparaat dat bekend staat als een ruimteplaat. Nu hebben Cornell-onderzoekers onder leiding van promovendus Kunal Shastri en assistent-professor Francesco Monticone, samen met hun medewerkers, voor het eerst de fundamentele en praktische limieten van spaceplates gedefinieerd in een paper gepubliceerd in het tijdschrift Optica getiteld:"In welke mate kan de ruimte worden gecomprimeerd? Bandbreedtelimieten van spaceplates."

"In de zoektocht naar het miniaturiseren van optische systemen," legt Shastri uit in het artikel, "is een aspect dat vaak over het hoofd wordt gezien het grote vrije ruimtevolume tussen de detector en de lens, of tussen lenzen, dat essentieel is om licht een afstand te laten verkrijgen - afhankelijke en hoekafhankelijke fase en bereik bijvoorbeeld scherpstellen op een bepaalde afstand."

De lengte van de vrije ruimte achter een lens is van cruciaal belang voor het vermogen van de lens om een ​​beeld op de sensor of op film scherp te stellen, zoals het geval was vóór digitale camera's. Door de vrije ruimte kunnen lichtgolven die vanuit verschillende richtingen achter de lens komen, zich voortplanten en voldoende fase krijgen om samen te komen op het brandpunt:de sensor. Dit is een van de redenen waarom cameralenzen die zijn ontworpen om scherp te stellen op een verafgelegen onderwerp en deze te vergroten, bijvoorbeeld telelenzen, zo lang zijn. Spaceplates zijn ontworpen om de optische faserespons van vrije ruimte over een veel kleinere lengte na te bootsen.

Monticone, die samenwerkte met voormalig promovendus Aobo Chen, had eerder computersimulaties gebruikt om schaalbare ruimteplaten te ontwerpen en te demonstreren hoe ze zouden werken in een optisch systeem. Dit nieuwe werk bouwt voort op dat onderzoek door de grenzen te definiëren van het vermogen van een spaceplate om drie fundamentele optische parameters te maximaliseren:compressieverhouding, numerieke apertuur en bandbreedte.

"Het is erg ingewikkeld om deze drie doelen tegelijkertijd te bereiken," legt Monticone uit, "met een maximale compressieverhouding en tegelijkertijd ook het maximaliseren van numerieke apertuur en bandbreedte. In dit artikel proberen we het algemene fysieke mechanisme achter elk ruimtecompressie-effect, ongeacht hoe je de spaceplate implementeert."

Voorafgaand onderzoek naar spaceplate-technologie had functionele maar onpraktische of inefficiënte ontwerpen opgeleverd die werkten voor een enkele kleur, of voor een klein aantal hoeken, of die moesten worden ondergedompeld in een materiaal met een hoge brekingsindex, zoals olie. Deze apparaten kunnen niet worden gebruikt om typische optische systemen te miniaturiseren.

"Er is veel interesse om te weten of ruimteplaten zouden werken voor het hele zichtbare spectrum van licht en in de vrije ruimte, en niemand was er zeker van dat we dat zouden kunnen doen," zei Shastri. "Dus we wilden echt zien of er fysieke grenzen waren die zouden voorkomen dat spaceplates voor echte camera's zouden werken voor de volledige zichtbare bandbreedte."

Shastri legde uit dat de grenzen die ze definiëren in dit nieuw gepubliceerde artikel, andere ingenieurs die in het veld werken zullen vertellen hoe ver of hoe dicht ze bij de globale fundamentele limieten zijn van de spaceplate-apparaten die ze ontwerpen. "En dat is, denk ik, zeer waardevol," zei Shastri. "Dat is de reden waarom we dit artikel hebben geschreven."

Spaceplates kunnen worden ontworpen met dezelfde materialen als conventionele beeldvormingssystemen, of het nu gaat om glaslagen en andere transparante materialen met verschillende brekingsindices, een patroonoppervlak of een fotonische kristalplaat - elke structuur die een voldoende contrast in brekingsindex biedt van het ene materiaal naar het andere gaan. De belangrijkste factor is dat de spaceplate zeer doorlatend moet zijn; je wilt niet dat het licht absorbeert.

"In de eenvoudigst mogelijke implementatie," zei Monticone, "zou een spaceplate kunnen worden gefabriceerd als een stapel lagen, en de lagen zouden ten minste twee verschillende brekingsindices hebben. Door de dikte en de afstand te optimaliseren, kunt u de optische respons optimaliseren. "

Toepassingen van spaceplate-technologie zijn niet beperkt tot camera's. Spaceplates kunnen projectoren, telescopen en zelfs antennes miniaturiseren door gebruik te maken van een groter bereik van het elektromagnetische spectrum. Monticone en Shastri willen graag verder gaan dan de computermodellen die ze hebben gebruikt en fysieke experimenten ontwerpen met gefabriceerde ruimteplaten.

"De volgende stap zal de experimentele demonstratie zijn van een ruimteplaat die in de vrije ruimte werkt op optische frequenties," zei Monticone. "Met behulp van computationele ontwerpmethoden zullen we proberen ruimteplaten te optimaliseren om zo dicht mogelijk bij onze fundamentele limieten te werken. Misschien kunnen we een platte lens en een ruimteplaat combineren in een enkel apparaat, waardoor ultradunne, monolithische, vlakke optische systemen voor een verscheidenheid aan toepassingen." + Verder verkennen

Zeg vaarwel tegen je camerabobbel:geminiaturiseerde optica door nieuwe tegenhanger van lens