Un estudio revela los límites máximos de las placas espaciales en los sistemas ópticos

Imagen conceptual de una placa espacial que reduce la distancia a la que se enfoca la luz en una amplia gama de longitudes de onda. Crédito: Monticone Research Group

Los ingenieros que trabajan para miniaturizar los sistemas ópticos de la electrónica moderna han tenido un gran éxito en lo que respecta a los componentes más conocidos, las lentes y los sensores ópticos. Más difícil ha sido reducir el tamaño del tercer componente de un sistema óptico, el espacio libre entre la lente y el sensor necesario para que las ondas de luz logren enfocar.

Los investigadores han estado desarrollando una tecnología para sustituir parte o la totalidad de ese espacio libre por un dispositivo delgado y transparente conocido como placa espacial. Ahora, los investigadores de Cornell dirigidos por el estudiante de doctorado Kunal Shastri y el profesor adjunto Francesco Monticone, junto con sus colaboradores, han definido por primera vez los límites fundamentales y prácticos de las placas espaciales en un artículo publicado en la revista Optica titulado «¿Hasta qué punto se puede comprimir el espacio? Límites de ancho de banda de las placas espaciales».

«En la búsqueda de la miniaturización de los sistemas ópticos», explica Shastri en el artículo, «un aspecto que a menudo se pasa por alto es el gran volumen de espacio libre entre el detector y la lente, o entre las lentes, que es esencial para permitir que la luz adquiera una fase dependiente de la distancia y el ángulo y lograr, por ejemplo, el enfoque a una determinada distancia».

La longitud del espacio libre detrás de una lente es fundamental para la capacidad de la lente de enfocar una imagen en el sensor, o en la película, como era el caso antes de las cámaras digitales. El espacio libre permite que las ondas de luz procedentes de diferentes direcciones tras el objetivo se propaguen y adquieran la fase suficiente para converger en el punto focal: el sensor. Ésta es una de las razones por las que los objetivos de las cámaras diseñados para enfocar y ampliar un objeto lejano, por ejemplo los teleobjetivos, son tan largos. Las placas espaciales están diseñadas para imitar la respuesta de fase óptica del espacio libre en una longitud mucho menor.

Monticone, en colaboración con el antiguo estudiante de doctorado Aobo Chen, había utilizado anteriormente simulaciones por ordenador para diseñar placas espaciales escalables y demostrar cómo funcionarían en un sistema óptico. Este nuevo trabajo amplía esa investigación definiendo los límites de la capacidad de una placa espacial para maximizar tres parámetros ópticos fundamentales: relación de compresión, apertura numérica y ancho de banda.

«Es muy complicado cumplir estos tres objetivos al mismo tiempo», explicó Monticone, «tener la máxima relación de compresión y, al mismo tiempo, maximizar también la apertura numérica y el ancho de banda. En este artículo tratamos de aclarar el mecanismo físico general que hay detrás de cualquier efecto de compresión espacial, independientemente de cómo se implemente la placa espacial.»

Las investigaciones anteriores sobre la tecnología de placas espaciales habían dado lugar a diseños funcionales pero poco prácticos o ineficientes que funcionaban para un solo color, o para una pequeña gama de ángulos, o que necesitaban estar sumergidos en un material con un alto índice de refracción, como el aceite. Estos dispositivos no podían utilizarse para miniaturizar los sistemas ópticos típicos.

«Hay mucho interés en saber si las placas espaciales funcionarían para todo el espectro visible de la luz y en el espacio libre, y nadie estaba seguro de que pudiéramos hacerlo», dijo Shastri. «Así que queríamos ver si había algún límite físico que impidiera que las placas espaciales funcionaran para cámaras reales para todo el ancho de banda visible».

Shastri explicó que los límites que definen en este artículo recién publicado indicarán a otros ingenieros que trabajan en este campo lo lejos o lo cerca que están de los límites fundamentales globales de los dispositivos de placas espaciales que están diseñando. «Y eso es, creo, muy valioso», dijo Shastri. «Esa es la razón por la que escribimos este artículo».

Las placas espaciales pueden diseñarse utilizando los mismos materiales con los que se fabrican los sistemas convencionales de obtención de imágenes, ya sean capas de vidrio y otros materiales transparentes con diferentes índices de refracción, una superficie estampada o una losa de cristal fotónico; cualquier estructura que proporcione un contraste suficiente en el índice de refracción al pasar de un material a otro. El factor clave es que la placa espacial debe ser altamente transmisiva; no se quiere que absorba la luz.

«En la implementación más simple posible», dijo Monticone, «una placa espacial podría fabricarse como una pila de capas, y las capas tendrían al menos dos índices de refracción diferentes. Optimizando el grosor y el espaciado, se puede optimizar la respuesta óptica».

Las aplicaciones de la tecnología de placas espaciales no se limitan a las cámaras. Las placas espaciales podrían miniaturizar proyectores, telescopios e incluso antenas que utilizaran una gama más amplia del espectro electromagnético. Monticone y Shastri están deseando ir más allá de los modelos informáticos que han estado utilizando y diseñar experimentos físicos con placas espaciales fabricadas.

«El siguiente paso será la demostración experimental de una placa espacial que funcione en el espacio libre a frecuencias ópticas», dijo Monticone. «Utilizando métodos de diseño computacional, buscaremos optimizar las placas espaciales para que funcionen lo más cerca posible de nuestros límites fundamentales. Tal vez podamos combinar una lente plana y una placa espacial en un solo dispositivo, realizando sistemas ópticos planares, monolíticos y ultrafinos para diversas aplicaciones.»


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Más información:
Kunal Shastri et al, ¿Hasta qué punto se puede comprimir el espacio? Límites de ancho de banda de las placas espaciales, Optica (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.455680

Proporcionado por
Universidad de Cornell

Cita:
Un estudio descubre los límites últimos de las placas espaciales en los sistemas ópticos (2022, 21 de julio)
recuperado el 21 de julio de 2022
en https://phys.org/news/2022-07-ultimate-limits-spaceplates-optical.html

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. únicamente con fines informativos.

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