Lenti e specchi con superfici a forma libera consentono ai progettisti di focalizzare la luce all'interno di dispositivi ottici più leggeri, più compatto, e più efficace che mai.

Ma fino ad ora, determinare quali superfici a forma libera funzioneranno meglio, se non del tutto, in una data configurazione di specchi e lenti è stato un processo lungo e spesso costoso di tentativi ed errori.

Non deve essere più così.

In un giornale in Comunicazioni sulla natura , autore principale Aaron Bauer, un ingegnere ricercatore senior presso il Center for Freeform Optics (CeFO) dell'Università di Rochester, combina teoria e pratica in un metodo graduale che elimina gran parte delle congetture.

"Aaron ha sviluppato un processo per progettare con superfici a forma libera che possono essere applicate in modo molto generico, " dice il coautore Jannick Rolland, Direttore CeFO e Brian F. Thompson Professore di ingegneria ottica. "È davvero bello e anche a volte sembra magico."

Ritiene che i risultati contribuiranno ad accelerare l'adozione dell'ottica a forma libera nell'industria. "La gente non dirà più 'Oh, è troppo costoso da costruire con l'ottica a forma libera, '" dice. "Perché ora puoi fare qualcosa che potrebbe costare un decimo di quello che sarebbe costato altrimenti."

Gettare le basi

Da quando specchi e lenti sono stati impacchettati insieme nei telescopi, spettrometri, e una miriade di altri dispositivi ottici, le prestazioni sono state definite da quanto questi elementi sono in grado di mantenere un raggio di luce focalizzato con una "aberrazione" minima.

Tradizionalmente, i progettisti ottici si sono affidati a superfici ottiche a simmetria rotazionale, perché il loro design e la loro fabbricazione erano relativamente semplici.

Negli ultimi 20 anni, progressi nella microfresatura ad alta velocità, lucidatura delle lenti controllata da computer, e incisione a fascio di ioni, tra le altre tecnologie, hanno reso le superfici a forma libera asimmetriche più fattibili.

In un articolo del 2014, Kyle Fürschbach, un ex membro del Rolland Lab, ha posto il quadro teorico per la teoria delle aberrazioni a forma libera.

"Ma non avevamo ancora un processo sistematico per progettare con quella teoria, "dice Rolland.

Fare due più due

Bauer, Intanto, lavorava al fianco di Fuerschbach, progettare un display indossato dalla testa utilizzando superfici a forma libera.

"Ho notato che c'erano schemi molto comuni di aberrazioni che spuntavano sempre, e limitare il mio sistema dall'andare oltre, " dice Bauer. Inoltre, "quegli schemi di aberrazione corrispondevano a quelli che Kyle prevedeva sarebbero stati corretti dalle superfici a forma libera. Quindi, Ho fatto due più due".

Il metodo da lui ideato parte dall'iniziale "folding geometry" (allineamento di specchi e lenti) contemplata per un progetto, poi, sulla base di un'analisi delle varie aberrazioni prodotte da tale allineamento, prevede:

1. se le superfici a forma libera potrebbero ridurre al minimo tali aberrazioni e, se è così,
2. quali superfici a forma libera dovrebbero essere utilizzate per ottenere il massimo effetto.

"Le superfici a forma libera non sono una soluzione universale per correggere ogni aberrazione, " osserva Bauer. "Quindi, ciò che fa il nostro metodo è consentire ai progettisti di analizzare tutte queste geometrie in anticipo, al fine di prevedere se ci sarebbe o meno una buona soluzione."

È molto meglio dell'approccio "forza bruta" in cui "le persone provano euristicamente varie superfici a forma libera in un progetto, " dice Rolland. "Anche se alla fine funziona, potresti finire con un sistema in cui la partenza delle superfici è molto più grande di quanto non sarebbe altrimenti, perché tutte quelle superfici a forma libera potrebbero essere in lotta tra loro. E se non funziona, non si va da nessuna parte come designer."

Utilizzando invece il metodo di Bauer, lei dice, "sarai in grado di progettare qualcosa di molto più semplice, e sarà più facile da produrre e testare. Per di più, il metodo fornirà rapidamente e inequivocabilmente informazioni sul motivo per cui una determinata geometria potrebbe essere intrinsecamente limitata, che è essenziale per i designer."