Princípio de funcionamento de uma placa espacial. uma, Uma placa espacial pode comprimir um comprimento de propagação de deff em uma espessura d. Por exemplo, um feixe incidente na placa espacial no ângulo θ emergirá nesse mesmo ângulo e será transladado transversalmente pelo comprimento w (resultando em um deslocamento lateral do feixe? x), assim como faria com o espaço livre. b, Adicionar uma placa de espaço a um sistema de imagem, como uma câmera padrão (parte superior), encurtará a câmera (centro). Um sistema de imagem monolítico ultrafino pode ser formado integrando um metalens e uma placa de espaço diretamente em um sensor (parte inferior). Crédito:Orad Reshef e Jeff Lundeen
Você pode imaginar um dia usando um telescópio tão fino quanto uma folha de papel, ou uma câmera de alto desempenho muito menor e mais leve? Ou não tem mais aquela câmera atrás do smartphone?
Em um artigo publicado em Nature Communications , pesquisadores da Universidade de Ottawa propuseram um novo elemento óptico que poderia transformar essas ideias em realidade ao miniaturizar drasticamente os dispositivos ópticos, potencialmente impactando muitos dos aplicativos em nossas vidas.
Para saber mais sobre este projeto, conversamos com o autor principal, Dr. Orad Reshef, um pós-doutorado sênior no Grupo Robert Boyd, e o líder de pesquisa, Dr. Jeff Lundeen, que é o Canadá Research Chair in Quantum Photonics, Professor Associado do Departamento de Física da Universidade de Ottawa, e chefe do Laboratório Lundeen.
Você pode descrever o novo elemento óptico que sua equipe desenvolveu, a placa espacial?
Orad Reshef:A luz naturalmente "se espalha" quando está viajando, e todos os dispositivos ópticos que conhecemos dependem dessa disseminação; não saberíamos como projetar câmeras sem ele. Por exemplo, em cada telescópio, há uma grande lacuna entre a ocular e a lente objetiva para dar espaço para a luz se espalhar.
Uma placa espacial simula a mesma propagação que a luz experimentaria ao viajar uma grande distância em um pequeno dispositivo. Acender, uma placa espacial parece mais espaço do que ocupa. De certa forma, a placa espacial é uma contraparte da lente, fazendo coisas que a lente não pode fazer para reduzir sistemas de imagem inteiros.
Introduzimos a ideia de uma placa espacial em nosso jornal, demonstrando experimentalmente e mostrando que é compatível com a luz de banda larga no espectro visível que usamos para ver.
Jeff Lundeen:Nós consideramos o que aconteceria se você manipulasse a luz com base no ângulo em vez da posição de um raio de luz. As lentes agem por meio da posição do raio. Ângulo é um domínio completamente novo, e ninguém havia mostrado que poderia ser usado para fazer algo particularmente útil. Identificamos um aplicativo útil, comprimir espaço. E então mostramos que poderíamos projetar e demonstrar experimentalmente placas que fazem exatamente isso.
Orad Reshef:Isso é empolgante porque esse dispositivo nos permitirá reduzir todos os tipos de dispositivos muito grandes que pensávamos serem impossíveis de miniaturizar em óptica. Para projetá-lo, precisamos criar um novo conjunto de regras que seja incompatível com o usado no design de lentes. Ninguém sabe o que são, é como o oeste selvagem.
Como você teve essa ideia?
Jeff Lundeen:Orad Reshef é um especialista no uso de nanotecnologia para manipular um raio com base em sua posição (por exemplo, meta-lentes ou, De forma geral, meta-superfícies). Estávamos discutindo casualmente as limitações da manipulação da luz com essas metassuperfícies e eu disse que seria legal manipular a luz com base em seu ângulo.
O Dr. Reshef estava imediatamente confiante de que poderia projetar e fabricar algo que pudesse fazer isso e, posteriormente, concluí que o objetivo mais fácil seria substituir o espaço necessário para espalhar (ou seja, propagação).
Ao longo dos próximos meses, em discussões com o Dr. Boyd e o Dr. Reshef, aos poucos percebemos o quão incrível e útil esse dispositivo seria. Tanto o Dr. Reshef quanto eu criamos designs viáveis e completamente diferentes, que mostrou que havia muitas maneiras de criar tal dispositivo. Nós estudamos três em nosso jornal, mas há mais vindo.
Como essa tecnologia pode ser usada? Quais são as aplicações da placa espacial em nossas vidas diárias?
Orad Reshef:uma placa espacial pode ser usada para miniaturizar muitos sistemas ópticos, seja um display ou um sensor. Por exemplo, uma placa espacial avançada pode permitir telescópios ou câmeras da espessura de papel; ele pode ser usado para remover a saliência da câmera na parte de trás do seu smartphone.
Jeff Lundeen:As pessoas arrastam câmeras grandes com lentes teleobjetivas enormes. Se pudermos melhorar suficientemente o desempenho da placa espacial, Eu imagino a possibilidade de construir menores, câmeras mais leves com desempenho muito melhor. Em particular, a placa espacial combinada com metalenses nos permitiria fazer toda a superfície posterior de, dizer, um iPhone Max, em uma câmera plana e fina. Teria resolução 14 vezes melhor e desempenho em condições de pouca luz do que aquelas câmeras grandes e pesadas.
Câmeras finas e pequenas seriam úteis em uma ampla variedade de aplicações, inclusive na área de saúde, onde pílulas fotográficas ou endoscópios podem examinar o interior das artérias ou o sistema digestivo.
Quais são os próximos passos?
Orad Reshef:Estamos trabalhando duro para desenvolver a próxima geração dessa tecnologia. Queremos tentar aumentar o fator de compressão e melhorar o desempenho geral. Já temos alguns projetos para aumentar o fator de compressão de cinco para mais de 100 vezes, e aumentar a transmissão total. Para continuar fazendo isso, precisamos criar um paradigma de design completamente novo.
Alguma reflexão final?
Orad Reshef:É surpreendente que elementos ópticos como lentes existam por um milênio e suas regras de design sejam bem compreendidas por mais de 400 anos, e ainda estamos descobrindo novos elementos ópticos fundamentais para a geração de imagens.
O artigo Uma óptica para substituir o espaço e sua aplicação em sistemas de imagem ultrafinos é publicado em Nature Communications .
