Freeform optisk enhed pakker mere slag i en mindre pakke

I en nylig artikel i Light:Science &Applications, University of Rochester -forskere Jannick Rolland og Jacob Reimers beskriver en optisk enhed med potentielle applikationer lige fra forbedrede satellit- og diagnostiske billeder til mere præcist matchning af malingfarven på en stue væg.

Enheden er en type spektrometer - et optisk instrument, der tager lys og bryder det ned i komponenter for at afsløre et katalog med oplysninger om et objekt.

I modsætning til traditionelle spektrometre, imidlertid, denne er designet ved hjælp af freeform optik, et relativt nyt fremskridt, der går op i mere end et århundrede med optisk design.

I mere end 125 år har optisk design var begrænset til at bruge rotationssymmetrisk, ofte perfekt sfæriske overflader placeret i runde rør - f.eks. spejlreflekskameraer med objektiv og objektive objektiver i mikroskop. Hvert linseelement i et sådant design kan bidrage med op til 15 afvigelser, der begrænser synsfelt og opløsning.

Fremkomsten af ​​computer numerisk kontrol og ny diamantdrejningsteknologi har gjort det både muligt og økonomisk at designe og fremstille langt mere kompliceret, friformede optiske overflader, der undgår rotationssymmetri. Freeform -design gør det muligt for en enhed effektivt at korrigere afvigelser med færre, mindre linser og spejle. Resultatet, siger forskere, vil være sensorer, mobile skærme, og et væld af andre enheder, der ikke kun er mindre i størrelse, lettere i vægt, og billigere-men også mere effektive end dem, der indeholder traditionelle objektiver og spejle.

Reimers, en ph.d. -studerende og hovedforfatteren, og Rolland, Brian J. Thompson -professor i optisk teknik og Reimers specialevejleder, beskrive et spektrometer ved hjælp af tre friformede overfladespejle. Funktioner:

• Det er fem gange mere kompakt end lignende spektrometerdesign ved hjælp af mere konventionelle spejle.
• Det tillader en tredobling af de analyserede båndbredder.
• Det er 65 gange mere effektivt til at korrigere afvigelser, der påvirker synsfelt og opløsning.

"Spektrometre overvåger miljøet, hjælpe med at undersøge patienter, og bruges stort set til mange andre applikationer. Det, vi fandt her, kan anvendes på spektrometre, der bruges i alle disse andre applikationer, "siger Rolland." Det er styrken ved friformsoptik. "

Projektet er finansieret af universitetets Center for Freeform Optics (CeFO), et samarbejdsinitiativ finansieret af National Science Foundation og ledet af Rolland, hvilket også involverer University of North Carolina i Charlotte og flere branchepartnere, hvis medlemsafgifter finansierer forskningen. Centerets mål er at fremme prækonkurrencedygtige projekter, der fremmer friformsoptik fra laboratoriet til industrielle applikationer.

Spektrometeret beskrevet af de to forskere er baseret på Offner-Chrisp-geometrien, meget brugt af den optiske industri til at korrigere aberrationer skabt af mere konventionelle overflader.

"Startende med en forstået, velkorrigeret geometri var vigtig, fordi vi var i stand til at vise, hvordan vi kan gøre det endnu bedre ved hjælp af freeform optik, "siger Reimers." Det er en geometri, som flere af vores CeFO -branchepartnere støtter. "

Papiret fokuserer på videnskaben bag at designe et freeform -spektrometer. Et andet papir udgivet i juni i Optics Express, en Optical Society Journal, fokuseret på fremstilling og test af det konvekse gitter. To fremtidige papirer, medforfatter af forskere fra både Rochester og UNC – Charlotte, vil beskrive fremstilling af spejlene samt fremstilling og samling af den fulde prototype.

"Det gode ved det, Jacob har gjort, er ikke bare at komme med et design, men for at vise videnskaben bag det, og hvorfor det er bedre, «siger Rolland.