Produrre le immagini a colori perfette di cui abbiamo bisogno e che amiamo spesso richiede molteplici, lenti pesanti in modo che ogni colore si focalizzi esattamente sullo stesso piano. Ora gli ingegneri della Penn State hanno sviluppato una nuova teoria che risolve il problema utilizzando una singola lente sottile composta da materiali con indice di gradiente e strati di metasuperficie per dirigere correttamente la luce.

"Se vogliamo sistemi ottici ad alte prestazioni, allora dobbiamo superare la dispersione materiale, " ha detto Sawyer D. Campbell, professore assistente di ricerca in ingegneria elettrica. "Se non lo facciamo, otteniamo colori sbiaditi, che degrada notevolmente la qualità dell'immagine."

Lenti apocromatiche singole, che mettono a fuoco correttamente i tre colori rosso, blu e verde, che hanno meno curvatura e sono più sottili e leggeri, potrebbero migliorare le fotocamere dei telefoni cellulari e consentire la produzione di telefoni cellulari più sottili. Potrebbero anche rendere più leggero, fotocamere per il corpo migliori, telecamere del casco, mirini da cecchino, dispositivi di imaging termico e veicoli aerei senza equipaggio o droni. In sostanza, tutto ciò che utilizza lenti per l'immagine potrebbe essere reso più semplice e leggero.

"Di solito ci sono diversi obiettivi, ma questo aumenta il peso, " disse Jogender Nagar, studente laureato in ingegneria elettrica. "Il nostro obiettivo è migliorare lo SWaP, ridurre le dimensioni e il peso aumentando le prestazioni".

I ricercatori hanno pensato di combinare due tecnologie:quella della lente a indice di gradiente (GRIN), e metasuperfici:strati ottici ultrasottili con caratteristiche di lunghezza d'onda inferiori che manipolano il fronte d'onda nel modo desiderato. I ricercatori riportano i risultati del loro lavoro nell'attuale numero di ottica .

"Il nostro sistema utilizza una lente, " disse Nagar. " Usiamo la curvatura della lente, la distribuzione dei materiali nella lente, e una metasuperficie, un motivo posizionato sulla superficie, per rendere la lente più sottile, accendino, ma ancora concentrarsi correttamente."

La maggior parte degli obiettivi utilizza la curvatura per controllare il punto focale, ma sono necessari tre obiettivi convenzionali separati per mettere a fuoco i tre colori separati su un punto focale e produrre un'immagine di alta qualità. Variando spazialmente la composizione del materiale all'interno della lente, una lente GRIN può mettere a fuoco perfettamente due colori. Quindi, aggiungendo una metasuperficie alla lente GRIN, una lente stratificata può mettere a fuoco perfettamente tutti e tre i colori e svolgere il lavoro di tre lenti convenzionali.

"Il gradiente nella lente può essere assiale, variando lungo la direzione di propagazione della luce, o asse ottico; o radiale, che varia verso l'esterno dall'asse ottico, " ha detto Douglas H. Werner, John L. e Genevieve H. McCain Professore cattedra di ingegneria elettrica. "O potrebbe essere più complesso."

I ricercatori hanno sviluppato un modello teorico e un quadro di simulazione per la creazione di queste lenti.

"Abbiamo dovuto utilizzare alcuni strumenti avanzati sviluppati appositamente in laboratorio, " ha detto Werner. "Strumenti per la modellazione, simulazione e ottimizzazione che abbiamo creato per risolvere un problema di progettazione così impegnativo."

Il modello teorico specifica la curvatura e il gradiente della superficie corretti nella lente GRIN e il patterning appropriato per la metasuperficie per soddisfare i requisiti di una perfetta messa a fuoco di tutti e tre i colori. Il modello ottimizza sia la lente che la metasuperficie per lavorare insieme.

"La teoria è molto generale e copre una vasta gamma di condizioni, " ha detto Werner. "La fabbricazione sarà la sfida inizialmente. Speriamo che lo sviluppo della teoria guidi la fabbricazione, rendendo possibile la produzione di tali obiettivi a basso costo e ad alto volume."