Kan du tänka dig att en dag använda ett teleskop så tunt som ett pappersark, eller en mycket mindre och lättare högpresterande kamera? Eller har du inte längre den där kamerabulan bakom din smartphone?

I en tidning publicerad i Naturkommunikation , forskare från University of Ottawa har föreslagit ett nytt optiskt element som kan förvandla dessa idéer till verklighet genom att dramatiskt miniatyrisera optiska enheter, potentiellt påverka många av applikationerna i våra liv.

För att lära dig mer om detta projekt, vi pratade med huvudförfattaren Dr. Orad Reshef, en senior postdoktor i Robert Boyd Group, och forskningsledaren Dr Jeff Lundeen, som är Canada Research Chair i Quantum Photonics, Docent vid institutionen för fysik vid University of Ottawa, och chef för Lundeen Lab.

Kan du beskriva det nya optiska elementet ditt team utvecklade, rymdskylten?

Orad Reshef:Ljus "sprider sig naturligt" när det är på resa, och varje optisk enhet vi känner till förlitar sig på denna spridning; vi skulle inte veta hur man designar kameror utan den. Till exempel, i varje teleskop, det finns ett stort mellanrum mellan okularet och objektivlinsen för att ge ljuset utrymme att sprida sig.

En rymdskylt simulerar samma spridning som ljus skulle uppleva när den färdas en lång sträcka i en liten enhet. Att tända, en rymdskylt ser ut som mer utrymme än den tar upp. På ett sätt, mellanrumsplattan är en motsvarighet till linsen, göra saker som linsen inte kan göra för att krympa ner hela bildbehandlingssystem.

Vi introducerade idén med en spaceplate i vår tidning, experimentellt demonstrera det och visa att det är kompatibelt med bredbandsljus i det synliga spektrum som vi använder för att se.

Jeff Lundeen:Vi övervägde vad som skulle hända om du manipulerade ljus baserat på vinkeln snarare än positionen för en ljusstråle. Linser verkar via strålens position. Angle är en helt ny domän, och ingen hade visat att den kunde användas för att göra något särskilt användbart. Vi hittade en användbar applikation, komprimera utrymme. Och så visade vi att vi faktiskt kunde designa och experimentellt demonstrera plattor som gör just det.

Orad Reshef:Detta är spännande eftersom den här enheten kommer att låta oss krympa ner alla möjliga mycket stora enheter som vi trodde var omöjliga att miniatyrisera i optik. För att designa den, vi måste komma med en ny uppsättning regler som är oförenliga med den som används i linsdesign. Ingen vet vad de är, det är som vilda västern.

Hur kom du på den här idén?

Jeff Lundeen:Orad Reshef är expert på att använda nanoteknik för att manipulera en stråle baserat på dess position (t.ex. metalinser eller, mer allmänt, meta-ytor). Vi diskuterade slentrianmässigt begränsningarna för att manipulera ljus med dessa meta-ytor och jag sa att det skulle vara coolt att istället manipulera ljus baserat på dess vinkel.

Dr. Reshef var omedelbart säker på att han kunde designa och tillverka något som kunde göra det och jag drog sedan slutsatsen att det enklaste målet skulle vara att ersätta det utrymme som behövs för spridning (dvs. fortplantning).

Under de närmaste månaderna, i diskussioner med Dr Boyd och Dr Reshef, vi insåg långsamt hur fantastisk och användbar en sådan enhet skulle vara. Både Dr Reshef och jag kom på livskraftiga och helt olika design, som visade att det fanns många sätt att skapa en sådan enhet. Vi studerade tre i vår tidning men det kommer fler.

Hur skulle denna teknik kunna användas? Vilka är tillämpningarna av rymdplattan i vårt dagliga liv?

Orad Reshef:En spaceplate kan användas för att miniatyrisera många optiska system, vare sig det är en display eller en sensor. Till exempel, en avancerad rymdplatta kan möjliggöra papperstunna teleskop eller kameror; den kan användas för att ta bort kameraklumpen på baksidan av din smartphone.

Jeff Lundeen:Folk släpar runt på stora kameror med enorma teleobjektiv. Om vi ​​kan förbättra rymdplattans prestanda tillräckligt, Jag tänker mig möjligheten att bygga mindre, lättare kameror med mycket bättre prestanda. Särskilt, rymdplattan i kombination med metalenses skulle tillåta oss att göra hela baksidan av, säga, en iPhone Max, till en platt och tunn kamera. Den skulle ha så mycket som 14 gånger bättre upplösning och prestanda i svagt ljus än de stora och tunga kamerorna.

Tunna och små kameror skulle vara användbara i en mängd olika applikationer, inklusive inom vården där kamerapiller eller endoskop kunde titta in i artärer eller matsmältningssystemet.

Vad är nästa steg?

Orad Reshef:Vi jobbar hårt med att utveckla nästa generation av denna teknik. Vi vill försöka öka kompressionsfaktorn och förbättra den övergripande prestandan. Vi har redan några konstruktioner för att öka kompressionsfaktorn från fem till över 100 gånger, och att öka den totala överföringen. För att fortsätta göra detta, vi måste komma med ett helt nytt designparadigm.

Några sista tankar?

Orad Reshef:Det är förvånande att optiska element som linser har funnits i ett årtusende och deras designregler har varit väl förstått i över 400 år, och ändå upptäcker vi fortfarande så grundläggande nya optiska element för bildbehandling.

Artikeln En optik för att ersätta rymden och dess tillämpning mot ultratunna bildsystem publiceras i Naturkommunikation .