Studie findet ultimative Grenzen von Raumplatten in optischen Systemen

Ingenieure, die an der Miniaturisierung optischer Systeme für die moderne Elektronik arbeiten, haben bei den bekanntesten Komponenten, den Linsen und optischen Sensoren, große Erfolge erzielt. Es war eine größere Herausforderung, die Größe der dritten Komponente eines optischen Systems zu reduzieren, den freien Raum zwischen der Linse und dem Sensor, der benötigt wird, damit Lichtwellen fokussiert werden können.

Forscher haben eine Technologie entwickelt, um einen Teil oder den gesamten freien Raum durch ein dünnes, transparentes Gerät zu ersetzen, das als Raumplatte bekannt ist. Jetzt haben Cornell-Forscher unter der Leitung des Doktoranden Kunal Shastri und des Assistenzprofessors Francesco Monticone zusammen mit ihren Mitarbeitern erstmals die grundlegenden und praktischen Grenzen von Raumplatten in einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel definiert Optik mit dem Titel „Inwieweit kann Raum komprimiert werden? Bandbreitengrenzen von Raumplatten.“

„Bei dem Bestreben, optische Systeme zu miniaturisieren“, erklärte Shastri in dem Artikel, „ist ein oft übersehener Aspekt das große Freiraumvolumen zwischen dem Detektor und der Linse oder zwischen Linsen, das wesentlich ist, damit Licht eine Distanz erreichen kann – abhängige und winkelabhängige Phase und erreichen beispielsweise eine Fokussierung auf einen bestimmten Abstand.“

Die Länge des freien Raums hinter einem Objektiv ist entscheidend für die Fähigkeit des Objektivs, ein Bild auf den Sensor oder auf Film zu fokussieren, wie es vor Digitalkameras der Fall war. Der freie Raum ermöglicht es Lichtwellen, die aus verschiedenen Richtungen nach der Linse kommen, sich auszubreiten und genügend Phase zu erhalten, um im Brennpunkt zu konvergieren: dem Sensor. Dies ist einer der Gründe, warum Kameraobjektive zum Fokussieren und Vergrößern eines weit entfernten Motivs, beispielsweise Teleobjektive, so lang sind. Raumplatten sind so konzipiert, dass sie die optische Phasenantwort des freien Raums über eine viel kleinere Länge nachahmen.

Monticone hatte zuvor in Zusammenarbeit mit dem ehemaligen Doktoranden Aobo Chen Computersimulationen verwendet, um skalierbare Raumplatten zu entwerfen und zu demonstrieren, wie sie in einem optischen System funktionieren würden. Diese neue Arbeit erweitert diese Forschung, indem sie die Grenzen der Fähigkeit einer Raumplatte definiert, drei grundlegende optische Parameter zu maximieren: Kompressionsverhältnis, numerische Apertur und Bandbreite.

„Es ist sehr kompliziert, diese drei Ziele gleichzeitig zu erreichen“, erklärte Monticone, „ein maximales Kompressionsverhältnis zu haben und gleichzeitig auch die numerische Apertur und Bandbreite zu maximieren. In diesem Artikel versuchen wir, den allgemeinen physikalischen Mechanismus dahinter zu klären Raumkompressionseffekt, unabhängig davon, wie Sie die Raumplatte implementieren.“

Frühere Forschungen zur Spaceplate-Technologie hatten funktionale, aber unpraktische oder ineffiziente Designs hervorgebracht, die für eine einzelne Farbe oder einen kleinen Winkelbereich funktionierten oder in ein Material mit einem hohen Brechungsindex wie Öl eingetaucht werden mussten. Diese Vorrichtungen konnten nicht verwendet werden, um typische optische Systeme zu miniaturisieren.

„Es besteht großes Interesse daran zu wissen, ob Raumplatten für das gesamte sichtbare Lichtspektrum und im freien Raum funktionieren würden, und niemand war sich sicher, dass wir das tun könnten“, sagte Shastri. „Deshalb wollten wir wirklich sehen, ob es irgendwelche physikalischen Grenzen gibt, die verhindern würden, dass Raumplatten für echte Kameras für die gesamte sichtbare Bandbreite funktionieren.“

Shastri erklärte, dass die Grenzen, die sie in diesem neu veröffentlichten Artikel definieren, anderen Ingenieuren, die auf diesem Gebiet arbeiten, Aufschluss darüber geben werden, wie weit oder wie nahe sie an den globalen grundlegenden Grenzen der von ihnen entworfenen Raumplattengeräte sind. „Und das ist, denke ich, sehr wertvoll“, sagte Shastri. „Das ist der Grund, warum wir dieses Papier geschrieben haben.“

Raumplatten können aus den gleichen Materialien konstruiert werden, aus denen herkömmliche Bildgebungssysteme hergestellt werden, seien es Glasschichten und andere transparente Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, eine gemusterte Oberfläche oder eine photonische Kristallplatte – jede Struktur, die einen ausreichenden Kontrast im Brechungsindex bietet von einem Material zum nächsten gehen. Der Schlüsselfaktor ist, dass die Abstandsplatte hochgradig durchlässig sein muss; Sie wollen nicht, dass es Licht absorbiert.

„In der einfachsten möglichen Implementierung“, sagte Monticone, „könnte eine Raumplatte als Stapel von Schichten hergestellt werden, und die Schichten hätten mindestens zwei unterschiedliche Brechungsindizes. Durch die Optimierung der Dicke und des Abstands können Sie die optische Reaktion optimieren. „

Anwendungen der Spaceplate-Technologie sind nicht auf Kameras beschränkt. Raumplatten könnten Projektoren, Teleskope und sogar Antennen miniaturisieren, indem sie einen breiteren Bereich des elektromagnetischen Spektrums nutzen. Monticone und Shastri sind bestrebt, über die bisher verwendeten Computermodelle hinauszugehen und physikalische Experimente mit hergestellten Raumplatten zu entwerfen.

„Der nächste Schritt wird die experimentelle Demonstration einer Raumplatte sein, die im freien Raum bei optischen Frequenzen arbeitet“, sagte Monticone. „Mit computergestützten Designmethoden werden wir versuchen, Raumplatten so zu optimieren, dass sie so nah wie möglich an unseren grundlegenden Grenzen arbeiten. Vielleicht können wir eine flache Linse und eine Raumplatte in einem einzigen Gerät kombinieren und ultradünne, monolithische, planare Objekte realisieren optische Systeme für eine Vielzahl von Anwendungen.“