Producir las imágenes en color perfectas que necesitamos y amamos a menudo requiere lentes múltiples y pesados para que cada color se enfoque exactamente en el mismo plano. Ahora los ingenieros de Penn State han desarrollado una nueva teoría que resuelve el problema utilizando una sola lente delgada compuesta de índice de gradientemateriales y capas de metasuperficie para dirigir correctamente la luz.
"Si queremos sistemas ópticos de alto rendimiento, entonces tenemos que superar la dispersión del material", dijo Sawyer D. Campbell, profesor asistente de investigación en ingeniería eléctrica. "Si no lo hacemos, obtenemos colores borrosos, lo que degrada significativamente la calidad de la imagen. "
Los lentes apocromáticos simples, que enfocan adecuadamente los tres colores rojo, azul y verde, que tienen menos curvatura y son más delgados y livianos, podrían mejorar las cámaras de los teléfonos celulares y permitir la fabricación de teléfonos celulares más delgados. También podrían hacer más livianos, mejorescámaras corporales, cámaras de casco, visores de francotirador, dispositivos de imagen térmica y vehículos aéreos no tripulados o drones. En esencia, cualquier cosa que utilice lentes para captar imágenes podría simplificarse y aligerarse.
"Por lo general, hay varios lentes, pero eso aumenta el peso", dijo Jogender Nagar, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica. "Nuestro objetivo es mejorar el SWaP: reducir el tamaño y el peso mientras aumenta el rendimiento".
Los investigadores pensaron en combinar dos tecnologías: la de la lente de índice de gradiente GRIN y las metasuperficies: capas ópticas ultrafinas con características de sub-longitud de onda que manipulan el frente de onda de la manera deseada. Los investigadores informan los resultados de sutrabajar en el número actual de Óptica .
"Nuestro sistema usa una lente", dijo Nagar. "Usamos la curvatura de la lente, la distribución de materiales en la lente y una metasuperficie, un patrón colocado en la superficie, para hacer que la lente sea más delgada y liviana, pero aún enfoca correctamente. "
La mayoría de los lentes usan la curvatura para controlar el punto focal, pero se necesitan tres lentes convencionales separados para enfocar los tres colores separados en un punto focal y producir una imagen de alta calidad. Al variar espacialmente la composición del material dentro del lente, un lente GRIN puedeenfoca perfectamente dos colores. Luego, agregando una metasuperficie a la lente GRIN, una lente en capas puede enfocar perfectamente los tres colores y hacer el trabajo de tres lentes convencionales.
"El gradiente en la lente puede ser axial - variando a lo largo de la dirección de propagación de la luz, o eje óptico; o radial - variando hacia afuera desde el eje óptico", dijeron Douglas H. Werner, John L. y Genevieve H.Profesor de la Cátedra McCain en ingeniería eléctrica. "O podría ser más complejo".
Los investigadores desarrollaron un modelo teórico y un marco de simulación para crear estas lentes.
"Tuvimos que usar algunas herramientas avanzadas que fueron especialmente desarrolladas en el laboratorio", dijo Werner. "Herramientas para modelado, simulación y optimización que creamos para resolver un problema de diseño tan desafiante".
El modelo teórico especifica la curvatura y el gradiente adecuados de la superficie en la lente GRIN y el patrón adecuado para que la metasuperficie satisfaga los requisitos de un enfoque perfecto de los tres colores. El modelo optimiza tanto la lente como la metasuperficie para trabajar juntas.
"La teoría es muy general y cubre una amplia gama de condiciones", dijo Werner. "La fabricación será el desafío inicialmente. Esperamos que el desarrollo de la teoría dirija la fabricación, haciendo posible producir tales lentes a bajo costo"y alto volumen. "
La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa apoyó este trabajo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Penn State . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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