Lentes e espelhos com superfícies de forma livre permitem que os designers focalizem a luz em dispositivos ópticos mais leves, mais compacto, e mais eficaz do que nunca.

Mas até agora, determinar quais superfícies de forma livre funcionarão melhor - se é que funcionará - em uma determinada configuração de espelhos e lentes tem sido um processo demorado e muitas vezes caro de tentativa e erro.

Não tem que ser mais assim.

Em um jornal em Nature Communications , autor principal Aaron Bauer, um engenheiro de pesquisa sênior do Centro de Óptica de Forma Livre (CeFO) da Universidade de Rochester, combina teoria e prática em um método passo a passo que elimina muitas das conjecturas.

"Aaron desenvolveu um processo para projetar superfícies de forma livre que pode ser aplicado de maneira muito geral, "diz o co-autor Jannick Rolland, Diretor da CeFO e Professor Brian F. Thompson de Engenharia Ótica. "É realmente lindo e às vezes parece mágico."

Ela acredita que as descobertas ajudarão a acelerar a adoção de ópticas de forma livre na indústria. "As pessoas não vão mais dizer 'Oh, é muito caro construir com ótica de forma livre, "", ela diz. "Porque agora você pode fazer algo que pode custar um décimo do que teria custado de outra forma."

Estabelecendo as bases

Desde que espelhos e lentes foram embalados juntos em telescópios, espectrômetros, e uma série de outros dispositivos ópticos, o desempenho foi definido por quão bem esses elementos são capazes de manter um feixe de luz focado com "aberração" mínima.

Tradicionalmente, designers ópticos têm contado com superfícies ópticas rotacionalmente simétricas, porque seu design e fabricação eram relativamente simples.

Nos últimos 20 anos, avanços na micro-fresagem de alta velocidade, polimento de lentes controlado por computador, e gravação por feixe de íons, entre outras tecnologias, tornaram as superfícies de forma livre assimétricas mais viáveis.

Em um artigo em 2014, Kyle Fuerschbach, um ex-membro do Rolland Lab, estabeleceu a estrutura teórica para a teoria das aberrações de forma livre.

"Mas ainda não tínhamos um processo sistemático para projetar com essa teoria, "Rolland diz.

Juntando dois e dois

Bauer, enquanto isso, estava trabalhando ao lado de Fuerschbach, projetar um display usado na cabeça usando superfícies de forma livre.

"Percebi que havia padrões muito comuns de aberrações que sempre apareciam, e limitando meu sistema de ir mais longe, "Diz Bauer. Além disso, "esses padrões de aberração correspondem aos que Kyle previu que seriam corrigidos por superfícies de forma livre. Então, Eu coloquei dois e dois juntos. "

O método que ele criou começa com a "geometria de dobramento" inicial (alinhamento de espelhos e lentes) contemplada para um projeto, e então, com base em uma análise das várias aberrações produzidas por esse alinhamento, prevê:

1. se as superfícies de forma livre poderiam minimizar essas aberrações e, se então,
2. quais superfícies de forma livre devem ser usadas para efeito máximo.

"Superfícies de forma livre não são uma solução universal para corrigir todas as aberrações, "Notas de Bauer." Então, o que nosso método faz é permitir que os designers analisem todas essas geometrias com antecedência, a fim de prever se haveria ou não uma boa solução. "

Isso é muito melhor do que a abordagem de "força bruta", onde "as pessoas tentam heuristicamente várias superfícies de forma livre em um design, "Rolland diz." Mesmo que eventualmente funcione, você pode acabar com um sistema em que a saída das superfícies é muito maior do que seria de outra forma, porque todas aquelas superfícies de forma livre podem estar lutando entre si. E se não funcionar, não há lugar para ir como designer. "

Ao usar o método de Bauer em vez disso, ela diz, "você poderá projetar algo muito mais simples, e isso será mais fácil de fabricar e testar. Além disso, o método fornecerá rápida e inequivocamente uma visão sobre por que uma dada geometria pode ser intrinsecamente limitada, o que é essencial para designers. "