Engenheiros que trabalham para miniaturizar sistemas ópticos para eletrônicos modernos tiveram grande sucesso quando se trata dos componentes mais familiares, as lentes e os sensores ópticos. Tem sido mais desafiador reduzir o tamanho do terceiro componente de um sistema óptico, o espaço livre entre a lente e o sensor necessário para que as ondas de luz atinjam o foco.
Pesquisadores vêm desenvolvendo tecnologia para substituir parte ou todo esse espaço livre por um dispositivo fino e transparente conhecido como placa espacial. Agora, os pesquisadores de Cornell liderados pelo estudante de doutorado Kunal Shastri e pelo professor assistente Francesco Monticone, juntamente com seus colaboradores, definiram pela primeira vez os limites fundamentais e práticos das placas espaciais em um artigo publicado na revista Optica intitulado, "Até que ponto o espaço pode ser comprimido? Limites de largura de banda das placas espaciais."

“Na busca de miniaturizar os sistemas ópticos”, explicou Shastri no artigo, “um aspecto muitas vezes esquecido é o grande volume de espaço livre entre o detector e a lente, ou entre as lentes, o que é essencial para permitir que a luz adquira uma distância. fase dependente e dependente do ângulo e consegue, por exemplo, focar a uma certa distância."

O comprimento do espaço livre atrás de uma lente é fundamental para a capacidade da lente de focalizar uma imagem no sensor ou no filme, como era o caso antes das câmeras digitais. O espaço livre permite que as ondas de luz vindas de diferentes direções após a lente se propaguem e adquiram fase suficiente para convergir no ponto focal:o sensor. Esta é uma das razões pelas quais as lentes de câmera projetadas para focalizar e ampliar um assunto distante, por exemplo, lentes de telefoto, são tão longas. As placas espaciais são projetadas para imitar a resposta de fase óptica do espaço livre em um comprimento muito menor.

Monticone, trabalhando com o ex-aluno de doutorado Aobo Chen, já havia usado simulações de computador para projetar placas espaciais escaláveis ​​e demonstrar como elas funcionariam em um sistema óptico. Este novo trabalho expande essa pesquisa definindo os limites da capacidade de uma placa espacial de maximizar três parâmetros ópticos fundamentais:taxa de compressão, abertura numérica e largura de banda.

"É muito complicado atingir esses três objetivos ao mesmo tempo", explicou Monticone, "tendo a taxa de compressão máxima e, ao mesmo tempo, também maximizando a abertura numérica e a largura de banda. Neste artigo, tentamos esclarecer o mecanismo físico geral por trás de qualquer efeito de compressão de espaço, independentemente de como você implementa a placa de espaço."

Pesquisas anteriores sobre a tecnologia de placas espaciais produziram designs funcionais, mas impraticáveis ​​ou ineficientes, que funcionavam para uma única cor, ou para uma pequena faixa de ângulos, ou precisavam ser imersos em um material com alto índice de refração, como o óleo. Esses dispositivos não podiam ser usados ​​para miniaturizar sistemas ópticos típicos.

“Há muito interesse em saber se as placas espaciais funcionariam para todo o espectro visível de luz e no espaço livre, e ninguém tinha certeza de que poderíamos fazer isso”, disse Shastri. "Então, realmente queríamos ver se havia algum limite físico que impedisse que as placas espaciais funcionassem para câmeras reais em toda a largura de banda visível."

Shastri explicou que os limites que eles definem neste artigo recém-publicado dirão a outros engenheiros que trabalham no campo a que distância ou quão perto eles estão dos limites fundamentais globais dos dispositivos de placa espacial que estão projetando. "E isso é, eu acho, muito valioso", disse Shastri. "Essa é a razão pela qual escrevemos este artigo."

As placas espaciais podem ser projetadas usando os mesmos materiais que os sistemas de imagem convencionais são feitos, sejam camadas de vidro e outros materiais transparentes com diferentes índices de refração, uma superfície padronizada ou uma placa de cristal fotônico - qualquer estrutura que forneça um contraste suficiente no índice de refração indo de um material para o outro. O fator chave é que a placa espacial deve ser altamente transmissiva; você não quer que ele absorva a luz.

"Na implementação mais simples possível", disse Monticone, "uma placa espacial poderia ser fabricada como uma pilha de camadas, e as camadas teriam pelo menos dois índices de refração diferentes. Ao otimizar a espessura e o espaçamento, você pode otimizar a resposta óptica. "

As aplicações da tecnologia de placa espacial não se limitam a câmeras. As placas espaciais poderiam miniaturizar projetores, telescópios e até antenas, fazendo uso de uma faixa mais ampla do espectro eletromagnético. Monticone e Shastri estão ansiosos para ir além dos modelos de computador que estão usando e projetar experimentos físicos com placas espaciais fabricadas.

"O próximo passo será a demonstração experimental de uma placa espacial trabalhando no espaço livre em frequências ópticas", disse Monticone. "Usando métodos de projeto computacional, procuraremos otimizar placas espaciais para trabalhar o mais próximo possível de nossos limites fundamentais. Talvez possamos combinar uma lente plana e uma placa espacial dentro de um único dispositivo, realizando sistemas ópticos para uma variedade de aplicações." + Explorar mais

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