El estudiante de doctorado Jacob Reimers es fotografiado con un espectrómetro prototipo que diseñó durante tres años usando óptica de forma libre en el laboratorio del profesor de ingeniería óptica Brian J. Thompson, Jannick Rolland. Con óptica de forma libre, control numérico informático y nuevas tecnologías de torneado de diamantes, ahora es posible prescindir de lo convencional, espejos y lentes rotacionalmente simétricos, y diseñar superficies ópticas más complicadas que puedan corregir las aberraciones que limitan el campo de visión y la resolución, resultando en dispositivos ópticos que requieren menos, lentes y espejos más pequeños que son más efectivos que los tradicionales. Crédito:Universidad de Rochester
En un artículo reciente en Light:Science &Applications, Los investigadores de la Universidad de Rochester, Jannick Rolland y Jacob Reimers, describen un dispositivo óptico con aplicaciones potenciales que van desde imágenes mejoradas de satélite y de diagnóstico hasta igualar con mayor precisión el color de la pintura en la pared de una sala de estar.
El dispositivo es un tipo de espectrómetro, un instrumento óptico que toma la luz y la descompone en componentes para revelar un catálogo de información sobre un objeto.
A diferencia de los espectrómetros tradicionales, sin embargo, este está diseñado con óptica de forma libre, un avance relativamente reciente que da un vuelco a más de un siglo de diseño óptico.
Durante más de 125 años, El diseño óptico se vio limitado a utilizar simétrico rotacional, a menudo superficies perfectamente esféricas colocadas en tubos redondos, por ejemplo, Cámaras réflex de un solo objetivo y objetivos de microscopio. Cada elemento de la lente en un diseño de este tipo puede contribuir hasta con 15 aberraciones que limitan el campo de visión y la resolución.
El advenimiento del control numérico por computadora y la nueva tecnología de torneado de diamantes ha hecho que sea factible y económico diseñar y fabricar mucho más complicado. Superficies ópticas de forma libre que prescinden de la simetría rotacional. El diseño de forma libre permite que un dispositivo corrija de manera eficiente las aberraciones con menos, lentes y espejos más pequeños. El resultado, los investigadores dicen, serán sensores, pantallas móviles, y una gran cantidad de otros dispositivos que no solo son más pequeños, más ligero en peso, y menos costosos, pero también superan a los que contienen lentes y espejos tradicionales.
Reimers, estudiante de doctorado y autor principal, y Rolland, el profesor Brian J. Thompson de ingeniería óptica y asesor de tesis de Reimers, describe un espectrómetro que utiliza tres espejos de superficie de forma libre. Características:
"Los espectrómetros monitorean el medio ambiente, ayudar a examinar a los pacientes, y se utilizan ampliamente para muchas otras aplicaciones. Lo que encontramos aquí se puede aplicar a los espectrómetros utilizados en todas estas otras aplicaciones, ", dice Rolland." Ese es el poder de la óptica de forma libre ".
El proyecto está financiado por el Centro de Óptica de Forma Libre (CeFO) de la Universidad, una iniciativa de colaboración financiada por la National Science Foundation y dirigida por Rolland, que también involucra a la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte y múltiples socios de la industria cuyas cuotas de membresía financian la investigación. El objetivo del centro es promover proyectos precompetitivos que avancen la óptica de forma libre desde el laboratorio a las aplicaciones industriales.
El espectrómetro descrito por los dos investigadores se basa en la geometría de Offner-Chrisp, ampliamente utilizado por la industria óptica para corregir aberraciones creadas por superficies más convencionales.
"Comenzando con un entendido, la geometría bien corregida era importante, porque pudimos mostrar cómo podemos mejorarlo aún más con la óptica de forma libre, ", dice Reimers." Es una geometría que respaldan varios de nuestros socios de la industria de CeFO ".
El artículo se centra en la ciencia detrás del diseño de un espectrómetro de forma libre. Otro artículo publicado en junio en Optics Express, una revista de Optical Society, centrado en la fabricación y prueba de la rejilla convexa. Dos artículos futuros, en coautoría con investigadores de Rochester y UNC – Charlotte, describirá la fabricación de los espejos, así como la fabricación y montaje del prototipo completo.
"Lo bueno de lo que ha hecho Jacob es no solo crear un diseño, pero para mostrar la ciencia detrás de esto, y por qué es mejor, "dice Rolland.
