Konceptuell bild av en rymdplatta som minskar avståndet vid vilket ljus fokuseras över ett brett spektrum av våglängder. Kredit:Monticone Research Group
Ingenjörer som arbetar med att miniatyrisera optiska system för modern elektronik har sett stora framgångar när det kommer till de mest välbekanta komponenterna, linserna och optiska sensorer. Det har varit mer utmanande att minska storleken på den tredje komponenten i ett optiskt system, det fria utrymmet mellan linsen och sensorn som behövs för att ljusvågor ska uppnå fokus.
Forskare har utvecklat teknik för att ersätta en del eller allt av det lediga utrymmet med en tunn, genomskinlig enhet känd som en spaceplate. Nu har Cornell-forskare under ledning av doktoranden Kunal Shastri och biträdande professor Francesco Monticone, tillsammans med sina medarbetare, för första gången definierat de grundläggande och praktiska gränserna för spaceplates i en artikel publicerad i tidskriften Optica med titeln "I vilken utsträckning kan utrymme komprimeras? Bandbreddsgränser för spaceplates."
"I strävan efter att miniatyrisera optiska system," förklarade Shastri i tidningen, "är en ofta förbisedd aspekt den stora fria utrymmesvolymen mellan detektorn och linsen, eller mellan linser, vilket är viktigt för att ljus ska få ett avstånd - beroende och vinkelberoende fas och uppnå till exempel fokusering på ett visst avstånd."
Längden på det fria utrymmet bakom ett objektiv är avgörande för objektivets förmåga att fokusera en bild på sensorn, eller på film, som var fallet innan digitalkameror. Det fria utrymmet tillåter ljusvågor som kommer från olika riktningar efter linsen att fortplanta sig och få tillräckligt med fas för att konvergera vid brännpunkten:sensorn. Detta är en anledning till att kameralinser utformade för att fokusera på och förstora ett avlägset motiv, till exempel teleobjektiv, är så långa. Spaceplates är designade för att efterlikna det optiska fassvaret av ledigt utrymme över en mycket mindre längd.
Monticone, som arbetade med tidigare doktoranden Aobo Chen, hade tidigare använt datorsimuleringar för att designa skalbara spaceplates och för att demonstrera hur de skulle fungera i ett optiskt system. Det här nya arbetet utökar denna forskning genom att definiera gränserna för en rymdplattas förmåga att maximera tre grundläggande optiska parametrar:kompressionsförhållande, numerisk bländare och bandbredd.
"Det är väldigt komplicerat att uppnå dessa tre mål samtidigt", förklarade Monticone, "att ha maximalt kompressionsförhållande och samtidigt också maximera numerisk bländare och bandbredd. I detta dokument försöker vi klargöra den allmänna fysiska mekanismen bakom alla rymdkompressionseffekt, oavsett hur du implementerar mellanslagsplattan."
Tidigare forskning om rymdplattteknologi hade gett funktionella men opraktiska eller ineffektiva konstruktioner som fungerade för en enda färg, eller för ett litet intervall av vinklar, eller som behövde nedsänkas i ett material med ett högt brytningsindex, som olja. Dessa enheter kunde inte användas för att miniatyrisera typiska optiska system.
"Det finns ett stort intresse för att veta om spaceplates skulle fungera för hela det synliga spektrumet av ljus och i ledigt utrymme, och ingen var säker på att vi kunde göra det," sa Shastri. "Så vi ville verkligen se om det fanns några fysiska gränser som skulle hindra spaceplates från att fungera för riktiga kameror för hela den synliga bandbredden."
Shastri förklarade att gränserna de definierar i detta nyligen publicerade dokument kommer att berätta för andra ingenjörer som arbetar på fältet hur långt eller hur nära de är de globala grundläggande gränserna för de rymdplattor som de designar. "Och det är, tror jag, mycket värdefullt," sa Shastri. "Det är anledningen till att vi skrev den här uppsatsen."
Spaceplates kan utformas med samma material som konventionella bildsystem är gjorda av, oavsett om det är lager av glas och andra transparenta material med olika brytningsindex, en mönstrad yta eller en fotonisk kristallplatta – vilken struktur som helst som ger en tillräcklig kontrast i brytningsindex gå från ett material till nästa. Den viktigaste faktorn är att mellanslagsplattan måste vara mycket transmissiv; du vill inte att den ska absorbera ljus.
"I den enklaste möjliga implementeringen," sa Monticone, "kan en spaceplate tillverkas som en stapel av lager, och lagren skulle ha minst två olika brytningsindex. Genom att optimera tjockleken och avståndet kan du optimera den optiska responsen. "
Tillämpningar av rymdskyltteknologi är inte begränsade till kameror. Rymdplattor kan miniatyrisera projektorer, teleskop, till och med antenner genom att använda ett bredare spektrum av det elektromagnetiska spektrumet. Monticone och Shastri är ivriga att gå bortom de datormodeller de har använt och designa fysiska experiment med tillverkade spaceplates.
"Nästa steg kommer att vara den experimentella demonstrationen av en rymdplatta som arbetar i fritt utrymme vid optiska frekvenser," sa Monticone. "Med hjälp av beräkningsmetoder kommer vi att försöka optimera spaceplates så att de fungerar så nära våra grundläggande gränser som möjligt. Kanske kommer vi att kunna kombinera en platt lins och en spaceplate i en enda enhet, för att åstadkomma ultratunna, monolitiska, plana optiska system för en mängd olika tillämpningar." + Utforska vidare
