Undersøgelse finder de ultimative grænser for rumplader i optiske systemer

Ingeniører, der arbejder på at miniaturisere optiske systemer til moderne elektronik, har haft stor succes, når det kommer til de mest velkendte komponenter, linserne og optiske sensorer. Det har været mere udfordrende at reducere størrelsen af ​​den tredje komponent i et optisk system, det frie rum mellem objektivet og sensoren, der er nødvendigt for, at lysbølger kan opnå fokus.

Forskere har udviklet teknologi til at erstatte noget eller alt det ledige rum med en tynd, gennemsigtig enhed kendt som en spaceplate. Nu har Cornell-forskere ledet af ph.d.-studerende Kunal Shastri og adjunkt Francesco Monticone sammen med deres samarbejdspartnere for første gang defineret de grundlæggende og praktiske grænser for rumplader i et papir offentliggjort i tidsskriftet Optica med titlen "I hvilket omfang kan plads komprimeres? Båndbreddegrænser for spaceplates."

"I søgen efter at miniaturisere optiske systemer," forklarede Shastri i avisen, "er et ofte overset aspekt det store frirumsvolumen mellem detektoren og linsen eller mellem linserne, hvilket er afgørende for at tillade lys at opnå en afstand - afhængig og vinkelafhængig fase og opnå for eksempel fokusering på en vis afstand."

Længden af ​​det frie rum bag et objektiv er afgørende for objektivets evne til at fokusere et billede på sensoren eller på film, som det var tilfældet før digitale kameraer. Den frie plads gør det muligt for lysbølger, der kommer fra forskellige retninger efter linsen, at forplante sig og opnå tilstrækkelig fase til at konvergere ved brændpunktet:sensoren. Dette er en af ​​grundene til, at kameralinser designet til at fokusere på og forstørre et fjerntliggende motiv, for eksempel teleobjektiver, er så lange. Spaceplates er designet til at efterligne den optiske faserespons af ledig plads over en meget mindre længde.

Monticone, der arbejdede med tidligere doktorand Aobo Chen, havde tidligere brugt computersimuleringer til at designe skalerbare spaceplates og til at demonstrere, hvordan de ville fungere i et optisk system. Dette nye arbejde udvider denne forskning ved at definere grænserne for en rumplades evne til at maksimere tre grundlæggende optiske parametre:kompressionsforhold, numerisk blænde og båndbredde.

"Det er meget kompliceret at nå disse tre mål på samme tid," forklarede Monticone, "at have maksimalt kompressionsforhold og samtidig også maksimere numerisk blænde og båndbredde. I dette papir forsøger vi at klarlægge den generelle fysiske mekanisme bag evt. rumkompressionseffekt, uanset hvordan du implementerer rumpladen."

Tidligere forskning i spaceplate-teknologi havde givet funktionelle, men upraktiske eller ineffektive designs, der fungerede til en enkelt farve eller for et lille udvalg af vinkler, eller som skulle nedsænkes i et materiale med et højt brydningsindeks, såsom olie. Disse enheder kunne ikke bruges til at miniaturisere typiske optiske systemer.

"Der er stor interesse i at vide, om rumplader ville fungere for hele det synlige spektrum af lys og i frit rum, og ingen var sikre på, at vi kunne gøre det," sagde Shastri. "Så vi ville virkelig se, om der var nogen fysiske grænser, der ville forhindre rumplader i at fungere for rigtige kameraer for hele den synlige båndbredde."

Shastri forklarede, at de grænser, de definerer i dette nyligt offentliggjorte papir, vil fortælle andre ingeniører, der arbejder i feltet, hvor langt eller hvor tæt de er på de globale grundlæggende grænser for de rumplade-enheder, de designer. "Og det er, tror jeg, meget værdifuldt," sagde Shastri. "Det er grunden til, at vi skrev dette papir."

Rumplader kan designes ved hjælp af de samme materialer, som konventionelle billeddannelsessystemer er lavet af, hvad enten det er lag af glas og andre gennemsigtige materialer med forskellige brydningsindeks, en mønstret overflade eller en fotonisk krystalplade - enhver struktur, der giver en tilstrækkelig kontrast i brydningsindekset går fra det ene materiale til det næste. Den vigtigste faktor er, at rumpladen skal være meget transmissiv; du vil ikke have, at den absorberer lys.

"I den enklest mulige implementering," sagde Monticone, "kunne en rumplade fremstilles som en stak af lag, og lagene ville have mindst to forskellige brydningsindekser. Ved at optimere tykkelsen og afstanden kan du optimere den optiske respons. "

Anvendelser af spaceplate-teknologi er ikke begrænset til kameraer. Rumplader kunne miniaturisere projektorer, teleskoper, endda antenner ved at bruge et bredere spektrum af det elektromagnetiske spektrum. Monticone og Shastri er ivrige efter at bevæge sig ud over de computermodeller, de har brugt, og designe fysiske eksperimenter med fremstillede rumplader.

"Det næste trin vil være den eksperimentelle demonstration af en rumplade, der arbejder i frit rum ved optiske frekvenser," sagde Monticone. "Ved brug af beregningsmetoder vil vi se på at optimere rumplader til at arbejde så tæt som muligt på vores grundlæggende grænser. Måske vil vi være i stand til at kombinere en flad linse og en mellemrumsplade inden for en enkelt enhed og realisere ultratynde, monolitiske, plane optiske systemer til en række applikationer." + Udforsk yderligere

Sig farvel til dit kamerabump:Miniaturiseret optik gennem nyt modstykke til objektivet