Produzir as imagens em cores perfeitas de que precisamos e amamos, muitas vezes requer vários, lentes pesadas para que cada cor foque exatamente no mesmo plano. Agora, os engenheiros da Penn State desenvolveram uma nova teoria que resolve o problema usando uma única lente fina composta de materiais de índice de gradiente e camadas de metassuperfície para direcionar adequadamente a luz.

"Se quisermos sistemas ópticos de alto desempenho, então temos que superar a dispersão do material, "disse Sawyer D. Campbell, professor assistente de pesquisa em engenharia elétrica. "Se não, temos cores borradas, o que degrada significativamente a qualidade da imagem. "

Lentes apocromáticas simples - aquelas que focam adequadamente as três cores vermelhas, azul e verde - que têm menos curvatura e são mais finos e mais leves poderiam melhorar as câmeras de telefones celulares e permitir a fabricação de telefones celulares mais finos. Eles também podem tornar mais leves, melhores câmeras corporais, câmeras de capacete, miras de atirador, dispositivos de imagem térmica e veículos aéreos não tripulados ou drones. Em essência, qualquer coisa que use lentes para criar imagens pode ser mais simples e mais leve.

"Normalmente, existem várias lentes, mas isso aumenta o peso, "disse Jogender Nagar, aluno de pós-graduação em engenharia elétrica. "Nosso objetivo é melhorar o SWaP - reduzir o tamanho e o peso enquanto aumenta o desempenho."

Os pesquisadores pensaram em combinar duas tecnologias:a lente de índice gradiente (GRIN), e metassuperfícies - camadas ópticas ultrafinas com recursos de subcomprimento de onda que manipulam a frente de onda da maneira desejada. Os pesquisadores relatam os resultados de seu trabalho na edição atual da Optica .

"Nosso sistema usa uma lente, "disse Nagar." Usamos a curvatura das lentes, a distribuição de materiais na lente, e uma metassuperfície - um padrão colocado na superfície - para tornar a lente mais fina, mais leve, mas ainda concentre-se corretamente. "

A maioria das lentes usa curvatura para controlar o ponto focal, mas três lentes convencionais separadas são necessárias para focar as três cores separadas em um ponto focal e produzir uma imagem de alta qualidade. Variando espacialmente a composição do material dentro da lente, uma lente GRIN pode focar perfeitamente duas cores. Então, adicionando uma metassuperfície às lentes GRIN, uma lente em camadas pode focar perfeitamente todas as três cores e fazer o trabalho de três lentes convencionais.

"O gradiente na lente pode ser axial - variando ao longo da direção de propagação da luz, ou eixo óptico; ou radial - variando para fora do eixo óptico, "disse Douglas H. Werner, John L. e Genevieve H. McCain Professor titular de engenharia elétrica. "Ou pode ser mais complexo."

Os pesquisadores desenvolveram um modelo teórico e uma estrutura de simulação para a criação dessas lentes.

"Tivemos que usar algumas ferramentas avançadas que foram desenvolvidas especialmente no laboratório, "disse Werner." Ferramentas para modelagem, simulação e otimização que criamos para resolver um problema de design tão desafiador. "

O modelo teórico especifica a curvatura e gradiente de superfície adequados nas lentes GRIN e o padrão adequado para a metassuperfície para satisfazer os requisitos de focalização perfeita de todas as três cores. O modelo otimiza as lentes e a metassuperfície para funcionarem juntas.

"A teoria é muito geral e cobre uma ampla gama de condições, "disse Werner." A fabricação será o desafio inicialmente. Esperamos que o desenvolvimento da teoria guie a fabricação, tornando possível a produção de tais lentes com baixo custo e alto volume. "