Óptica miniaturizada a través de una nueva contraparte de la lente

Principio de funcionamiento de una placa espacial. a, Una placa espaciadora puede comprimir una longitud de propagación de deff en un espesor d. Por ejemplo, un rayo que incide sobre la placa espaciadora en un ángulo θ emergerá en ese mismo ángulo y se trasladará transversalmente por la longitud w (resultando en un desplazamiento lateral del rayo x), tal como lo haría con la profundidad del espacio libre. b, Agregar una placa espaciadora a un sistema de imágenes como una cámara estándar (arriba) acortará la cámara (centro). Se puede formar un sistema de imágenes monolítico ultradelgado integrando una metalente y una placa espacial directamente en un sensor (parte inferior). Crédito: Orad Reshef y Jeff Lundeen

¿Te imaginas algún día usando un telescopio tan delgado como una hoja de papel, o una cámara de alto rendimiento mucho más pequeña y liviana? ¿O ya no tienes ese golpe de cámara detrás de tu teléfono inteligente?

En un artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza, investigadores de la Universidad de Ottawa han propuesto un nuevo elemento óptico que podría convertir estas ideas en realidad miniaturizando dramáticamente los dispositivos ópticos, lo que podría afectar muchas de las aplicaciones en nuestras vidas.

Para obtener más información sobre este proyecto, hablamos con el autor principal, el Dr. Orad Reshef, investigador posdoctoral senior en el Grupo Robert Boyd, y el líder de investigación, el Dr. Jeff Lundeen, quien es el presidente de investigación de Canadá en fotónica cuántica, profesor asociado en el departamento de Física en la Universidad de Ottawa y director del Laboratorio Lundeen.

¿Puede describir el nuevo elemento óptico que desarrolló su equipo, la placa espacial?

Orad Reshef: La luz se “esparce” naturalmente cuando viaja, y todos los dispositivos ópticos que conocemos se basan en esta propagación; no sabríamos cómo diseñar cámaras sin él. Por ejemplo, en todos los telescopios hay un gran espacio entre el ocular y la lente del objetivo para que la luz se propague.

Una placa espacial simula la misma propagación que experimentaría la luz al viajar una gran distancia en un dispositivo pequeño. Para iluminar, una placa espacial parece más espacio del que ocupa. En cierto modo, la placa espaciadora es una contraparte de la lente, y hace cosas que la lente no puede hacer para encoger sistemas de imágenes enteros.

Introdujimos la idea de una placa espacial en nuestro artículo, demostrándola experimentalmente y mostrando que es compatible con la luz de banda ancha en el espectro visible que usamos para ver.

Jeff Lundeen: Consideramos lo que sucedería si manipularas la luz en función del ángulo en lugar de la posición de un rayo de luz. Las lentes actúan a través de la posición del rayo. El ángulo es un dominio completamente nuevo y nadie había demostrado que pudiera usarse para hacer algo particularmente útil. Identificamos una aplicación útil, comprimiendo espacio. Y luego demostramos que en realidad podíamos diseñar y demostrar experimentalmente placas que hacen exactamente eso.

Orad Reshef: Esto es emocionante porque este dispositivo nos permitirá reducir todo tipo de dispositivos muy grandes que pensamos que eran imposibles de miniaturizar en óptica. Para diseñarlo, necesitamos idear un nuevo conjunto de reglas que sea incompatible con el que se usa en el diseño de lentes. Nadie sabe cuáles son, es como el salvaje oeste.

Cómo llegastes a esta conclusión?

Jeff Lundeen: Orad Reshef es un experto en el uso de nanotecnología para manipular un rayo en función de su posición (por ejemplo, metalentes o, más generalmente, metauperficies). Estuvimos discutiendo casualmente las limitaciones de manipular la luz con estas meta-superficies y dije que sería genial manipular la luz en su lugar en función de su ángulo.

El Dr. Reshef inmediatamente confió en que podría diseñar y fabricar algo que pudiera hacer eso y posteriormente concluí que el objetivo más fácil sería reemplazar el espacio necesario para la propagación (es decir, la propagación).

En el transcurso de los siguientes meses, en conversaciones con el Dr. Boyd y el Dr. Reshef, nos dimos cuenta poco a poco de lo asombroso y útil que sería un dispositivo de este tipo. Tanto el Dr. Reshef como yo creamos diseños viables y completamente diferentes, que mostraban que había muchas formas de crear un dispositivo de este tipo. Estudiamos tres en nuestro artículo, pero vendrán más.

¿Cómo se podría utilizar esta tecnología? ¿Cuáles son las aplicaciones de la placa espacial en nuestra vida diaria?

Orad Reshef: Se puede usar una placa espacial para miniaturizar muchos sistemas ópticos, ya sea una pantalla o un sensor. Por ejemplo, una placa espacial avanzada puede permitir cámaras o telescopios delgados como papel; podría usarse para eliminar la protuberancia de la cámara en la parte posterior de su teléfono inteligente.

Jeff Lundeen: La gente carga con grandes cámaras con enormes teleobjetivos. Si podemos mejorar lo suficiente el rendimiento de la placa espacial, imagino la posibilidad de construir cámaras más pequeñas y ligeras con un rendimiento mucho mejor. En particular, la placa espacial combinada con metalentes nos permitiría convertir toda la superficie posterior de, digamos, un iPhone Max, en una cámara plana y delgada. Tendría hasta 14 veces mejor resolución y rendimiento con poca luz que esas cámaras grandes y pesadas.

Las cámaras delgadas y pequeñas serían útiles en una amplia variedad de aplicaciones, incluso en el cuidado de la salud, donde las píldoras de la cámara o los endoscopios podrían mirar dentro de las arterias o el sistema digestivo.

¿Cuáles son los siguientes pasos?

Orad Reshef: Estamos trabajando arduamente para desarrollar la próxima generación de esta tecnología. Queremos intentar aumentar el factor de compresión y mejorar el rendimiento general. Ya tenemos algunos diseños para aumentar el factor de compresión de cinco a más de 100 veces y para aumentar la transmisión total. Para continuar haciendo esto, necesitamos idear un paradigma de diseño completamente nuevo.

¿Algún pensamiento final?

Orad Reshef: Es sorprendente que los elementos ópticos como las lentes hayan existido durante un milenio y sus reglas de diseño se hayan entendido bien durante más de 400 años y, sin embargo, todavía estamos descubriendo nuevos elementos ópticos fundamentales para la obtención de imágenes.

El artículo Una óptica para reemplazar el espacio y su aplicación a los sistemas de imagen ultradelgados se publica en Comunicaciones de la naturaleza.



Source: Phys.org – latest science and technology news stories by phys.org.

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