Gli ingegneri che lavorano per miniaturizzare i sistemi ottici per l'elettronica moderna hanno riscontrato un grande successo quando si tratta dei componenti più familiari, le lenti e i sensori ottici. È stato più difficile ridurre le dimensioni del terzo componente di un sistema ottico, lo spazio libero tra l'obiettivo e il sensore necessario affinché le onde luminose raggiungano la messa a fuoco.

I ricercatori hanno sviluppato una tecnologia per sostituire parte o tutto quello spazio libero con un dispositivo sottile e trasparente noto come piastra spaziale. Ora, i ricercatori della Cornell guidati dal dottorando Kunal Shastri e dall'assistente professore Francesco Monticone, insieme ai loro collaboratori, hanno definito per la prima volta i limiti fondamentali e pratici delle placche spaziali in un articolo pubblicato sulla rivista Optica intitolato "Fino a che punto lo spazio può essere compresso? Limiti di larghezza di banda delle piastre spaziali."

"Nella ricerca per miniaturizzare i sistemi ottici", ha spiegato Shastri nel documento, "un aspetto spesso trascurato è il grande volume di spazio libero tra il rivelatore e la lente, o tra le lenti, che è essenziale per consentire alla luce di acquisire una distanza- fase dipendente e dipendente dall'angolo e ottenere, ad esempio, la messa a fuoco a una certa distanza."

La lunghezza dello spazio libero dietro un obiettivo è fondamentale per la capacità dell'obiettivo di mettere a fuoco un'immagine sul sensore o sulla pellicola, come avveniva prima delle fotocamere digitali. Lo spazio libero consente alle onde luminose provenienti da diverse direzioni dopo l'obiettivo di propagarsi e acquisire una fase sufficiente per convergere sul punto focale:il sensore. Questo è uno dei motivi per cui gli obiettivi della fotocamera progettati per mettere a fuoco e ingrandire un soggetto lontano, ad esempio i teleobiettivi, sono così lunghi. Le piastre spaziali sono progettate per imitare la risposta di fase ottica dello spazio libero su una lunghezza molto più piccola.

Monticone, in collaborazione con l'ex dottorando Aobo Chen, aveva precedentemente utilizzato simulazioni al computer per progettare piastre spaziali scalabili e per dimostrare come avrebbero funzionato in un sistema ottico. Questo nuovo lavoro amplia la ricerca definendo i limiti della capacità di una piastra spaziale di massimizzare tre parametri ottici fondamentali:rapporto di compressione, apertura numerica e larghezza di banda.

"È molto complicato raggiungere questi tre obiettivi contemporaneamente", ha spiegato Monticone, "avendo il massimo rapporto di compressione e, allo stesso tempo, massimizzando anche l'apertura numerica e la larghezza di banda. In questo articolo cerchiamo di chiarire il meccanismo fisico generale alla base di qualsiasi effetto di compressione spaziale, indipendentemente da come implementi la piastra spaziale."

Ricerche precedenti sulla tecnologia delle piastre spaziali avevano prodotto progetti funzionali ma poco pratici o inefficienti che funzionavano per un singolo colore, o per una piccola gamma di angoli, o dovevano essere immersi in un materiale con un alto indice di rifrazione, come l'olio. Questi dispositivi non possono essere utilizzati per miniaturizzare i tipici sistemi ottici.

"C'è molto interesse nel sapere se le piastre spaziali avrebbero funzionato per l'intero spettro visibile della luce e nello spazio libero, e nessuno era sicuro che avremmo potuto farlo", ha detto Shastri. "Quindi volevamo davvero vedere se esistessero dei limiti fisici che impedissero alle piastre spaziali di funzionare per telecamere reali per l'intera larghezza di banda visibile."

Shastri ha spiegato che i confini che definiscono in questo documento appena pubblicato diranno ad altri ingegneri che lavorano sul campo quanto sono lontani o quanto sono vicini ai limiti fondamentali globali dei dispositivi della piastra spaziale che stanno progettando. "E questo è, penso, molto prezioso", ha detto Shastri. "Questo è il motivo per cui abbiamo scritto questo articolo."

Le lastre spaziali possono essere progettate utilizzando gli stessi materiali di cui sono fatti i sistemi di imaging convenzionali, che si tratti di strati di vetro e altri materiali trasparenti con diversi indici di rifrazione, una superficie modellata o una lastra di cristallo fotonico, qualsiasi struttura che fornisca un contrasto sufficiente nell'indice di rifrazione passando da un materiale all'altro. Il loro fattore chiave è che la piastra spaziale deve essere altamente trasmissiva; non vuoi che assorba la luce.

"Nell'implementazione più semplice possibile", ha affermato Monticone, "una piastra spaziale potrebbe essere fabbricata come una pila di strati e gli strati avrebbero almeno due diversi indici di rifrazione. Ottimizzando lo spessore e la spaziatura, è possibile ottimizzare la risposta ottica. "

Le applicazioni della tecnologia delle piastre spaziali non si limitano alle fotocamere. Le lastre spaziali potrebbero miniaturizzare proiettori, telescopi e persino antenne facendo uso di una gamma più ampia dello spettro elettromagnetico. Monticone e Shastri sono ansiosi di andare oltre i modelli computerizzati che hanno utilizzato e di progettare esperimenti fisici con piastre spaziali fabbricate.

"Il prossimo passo sarà la dimostrazione sperimentale di una piastra spaziale che lavora nello spazio libero a frequenze ottiche", ha detto Monticone. "Utilizzando metodi di progettazione computazionale, cercheremo di ottimizzare le piastre spaziali per lavorare il più vicino possibile ai nostri limiti fondamentali. Forse saremo in grado di combinare una lente piatta e una piastra spaziale all'interno di un unico dispositivo, realizzando ultrasottili, monolitici, planari sistemi ottici per una varietà di applicazioni." + Esplora ulteriormente

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