fbpx
Назад
04 августа, 2022

Ученые из Корнелла открывают предельные возможности пространственной пластины в оптических системах

Ученые из Корнельского университета под руководством докторанта Кунала Шастри и доцента Франческо Монтиконе вместе со своими сотрудниками впервые определили фундаментальные и практические ограничения космических платформ. Инженеры, работающие над миниатюризацией оптических систем для современной электроники, добились больших успехов, когда дело доходит до наиболее знакомых компонентов, линз и оптических датчиков. Гораздо сложнее было уменьшить размер третьего компонента оптической системы — свободного пространства между объективом и датчиком, необходимого для того, чтобы световые волны могли сфокусироваться. Они разрабатывают технологию замены части или всего этого свободного пространства тонким прозрачным устройством, известным как космическая пластина.

«В стремлении к миниатюризации оптических систем , — объяснил Шастри в статье, опубликованной в журнале Optica, — часто упускается из виду аспект большого объема свободного пространства между детектором и линзой или между линзами, который необходим для пропускания света. получить фазу, зависящую от расстояния и угла, и добиться, например, фокусировки на определенном расстоянии».

Длина свободного пространства за объективом имеет решающее значение для способности объектива фокусировать изображение на датчике или на пленке, как это было до цифровых камер. Свободное пространство позволяет световым волнам, идущим с разных направлений после линзы, распространяться и приобретать достаточную фазу, чтобы сойтись в фокусе: датчике. Это одна из причин, почему объективы фотоаппаратов, предназначенные для фокусировки и увеличения удаленного объекта, например телеобъективы, такие длинные. Пространственные пластины предназначены для имитации оптической фазовой характеристики свободного пространства на гораздо меньшей длине.

Монтиконе, работая с бывшим докторантом Аобо Ченом, ранее использовал компьютерное моделирование для проектирования масштабируемых космических пластин и демонстрации того, как они будут работать в оптической системе. Эта новая работа расширяет это исследование, определяя пределы способности космической пластины максимизировать три основных оптических параметра: степень сжатия, числовую апертуру и ширину полосы пропускания.

«Очень сложно одновременно достичь этих трех целей , — объяснил Монтиконе , — иметь максимальную степень сжатия и, в то же время, максимально увеличить числовую апертуру и полосу пропускания. В этой статье мы пытаемся прояснить общий физический механизм любого эффекта сжатия пространства, независимо от того, как вы реализуете пространственную пластину».

Предыдущие исследования технологии космических пластин привели к функциональным, но непрактичным или неэффективным конструкциям, которые работали для одного цвета или для небольшого диапазона углов или должны были быть погружены в материал с высоким показателем преломления, такой как масло. Эти устройства нельзя было использовать для миниатюризации типичных оптических систем.

«Существует большой интерес узнать, будут ли космические пластины работать во всем видимом спектре света и в открытом космосе, и никто не был уверен, что мы сможем это сделать», — сказал Шастри. «Поэтому мы действительно хотели увидеть, есть ли какие-либо физические ограничения, которые помешали бы космическим пластинам работать с реальными камерами для всей видимой полосы пропускания».

Шастри объяснил, что границы, которые они определяют в этой недавно опубликованной статье, сообщат другим инженерам, работающим в этой области, насколько они близки или далеки к глобальным фундаментальным ограничениям разрабатываемых ими космических устройств. «И это, я думаю, очень ценно», — сказал Шастри. «Вот почему мы написали эту статью».

Spaceplates могут быть спроектированы с использованием тех же материалов, из которых сделаны обычные системы визуализации, будь то слои стекла и других прозрачных материалов с разными показателями преломления, узорчатая поверхность или пластина фотонного кристалла — любая структура, обеспечивающая достаточный контраст показателя преломления. переход от одного материала к другому. Ключевым фактором является то, что пространственная пластина должна обладать высокой пропускающей способностью; вы не хотите, чтобы он поглощал свет.

«В простейшей возможной реализации , — сказал Монтиконе , — пространственная пластина может быть изготовлена ​​в виде стопки слоев, и слои будут иметь как минимум два разных показателя преломления. Оптимизируя толщину и расстояние, вы можете оптимизировать оптический отклик».

Применение технологии Spaceplate не ограничивается камерами. Космические пластины могут миниатюризировать проекторы, телескопы и даже антенны, используя более широкий диапазон электромагнитного спектра. Монтиконе и Шастри стремятся выйти за рамки компьютерных моделей, которые они использовали, и разрабатывать физические эксперименты с изготовленными космическими пластинами.

«Следующим шагом будет экспериментальная демонстрация космической платформы, работающей в свободном пространстве на оптических частотах», — сказал Монтиконе. «Используя методы вычислительного проектирования, мы будем стремиться оптимизировать космические плиты, чтобы они работали как можно ближе к нашим фундаментальным ограничениям. Возможно, мы сможем объединить плоскую линзу и пространственную пластину в одном устройстве, создав ультратонкие, монолитные, планарные оптические системы для различных приложений».