Producir las imágenes en color perfectas que necesitamos y amamos a menudo requiere múltiples lentes pesados ​​para que cada color se enfoque exactamente en el mismo plano. Ahora, los ingenieros de Penn State han desarrollado una nueva teoría que resuelve el problema utilizando una única lente delgada compuesta de materiales de índice de gradiente y capas de metasuperficie para dirigir la luz correctamente.

"Si queremos sistemas ópticos de alto rendimiento, entonces tenemos que superar la dispersión material, "dijo Sawyer D. Campbell, profesor asistente de investigación en ingeniería eléctrica. "Si no lo hacemos, obtenemos colores manchados, lo que degrada significativamente la calidad de la imagen ".

Lentes apocromáticas individuales:aquellas que enfocan correctamente los tres colores rojo, azul y verde, que tienen menos curvatura y son más delgados y livianos, podrían mejorar las cámaras de los teléfonos celulares y permitir la fabricación de teléfonos celulares más delgados. También podrían hacer más livianos, mejores cámaras corporales, cámaras de casco, miras de francotirador, dispositivos de imágenes térmicas y vehículos aéreos no tripulados o drones. En esencia, cualquier cosa que utilice lentes para captar imágenes podría simplificarse y aligerarse.

"Por lo general, hay varios lentes, pero eso aumenta el peso, "dijo Jogender Nagar, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica. "Nuestro objetivo es mejorar el SWaP:reducir el tamaño y el peso al tiempo que aumenta el rendimiento".

Los investigadores pensaron en combinar dos tecnologías:la de la lente de índice de gradiente (GRIN), y metasuperficies:capas ópticas ultradelgadas con características de sub-longitud de onda que manipulan el frente de onda de la manera deseada. Los investigadores informan sobre los resultados de su trabajo en el número actual de Optica .

"Nuestro sistema usa una lente, ", dijo Nagar." Usamos la curvatura de la lente, la distribución de materiales en la lente, y una metasuperficie, un patrón colocado en la superficie, para hacer la lente más delgada, encendedor, pero aún así enfoca correctamente ".

La mayoría de las lentes usan la curvatura para controlar el punto focal, pero se necesitan tres lentes convencionales separados para enfocar los tres colores separados en un punto focal y producir una imagen de alta calidad. Variando espacialmente la composición del material dentro de la lente, una lente GRIN puede enfocar perfectamente dos colores. Luego, agregando una metasuperficie a la lente GRIN, Una lente en capas puede enfocar perfectamente los tres colores y hacer el trabajo de tres lentes convencionales.

"El gradiente en la lente puede ser axial, variando a lo largo de la dirección de propagación de la luz, o eje óptico; o radial:varía hacia afuera desde el eje óptico, "dijo Douglas H. Werner, John L. y Genevieve H. McCain Catedrático de ingeniería eléctrica. "O podría ser más complejo".

Los investigadores desarrollaron un modelo teórico y un marco de simulación para crear estas lentes.

"Tuvimos que utilizar algunas herramientas avanzadas que se desarrollaron especialmente en el laboratorio, ", dijo Werner." Herramientas para modelar, simulación y optimización que creamos para resolver un problema de diseño tan desafiante ".

El modelo teórico especifica la curvatura y el gradiente adecuados de la superficie en la lente GRIN y el patrón adecuado para que la metasuperficie satisfaga los requisitos de un enfoque perfecto de los tres colores. El modelo optimiza tanto la lente como la metasuperficie para trabajar juntas.

"La teoría es muy general y cubre una amplia gama de condiciones, "dijo Werner." La fabricación será el desafío inicialmente. Esperamos que el desarrollo de la teoría dirija la fabricación, haciendo posible producir tales lentes a bajo costo y alto volumen ".