Pendant des siècles, les objectifs ont fonctionné de la même manière: le verre incurvé ou la lumière en plastique de flexion pour mettre les images. Mais les objectifs traditionnels ont un inconvénient majeur – plus ils doivent être puissants, plus ils deviennent plus volumineux et plus lourds.
Les scientifiques ont longtemps cherché un moyen de réduire le poids des lentilles sans sacrifier les fonctionnalités. Et bien que certaines alternatives plus minces existent, elles ont tendance à être limitées en leur capacité et sont généralement difficiles et coûteuses à faire.
De nouvelles recherches du professeur d'ingénierie de l'Université de l'Utah, Rajesh Menon et des collègues du Price College of Engineering, offrent une solution prometteuse applicable aux télescopes et à l'astrophotographie: une grande lentille plate d'ouverture qui se concentre aussi efficacement que les objectifs incurvés traditionnels tout en préservant une couleur précise.
L'étude, « Color Astrophotographie avec une lentille plate en polymère F / 2 de diamètre de 100 mm » Lettres de physique appliquée.
Cette technologie pourrait transformer les systèmes d'imagerie d'astrophotographie, en particulier dans les applications où l'espace est de qualité supérieure, comme sur les avions, les satellites et les télescopes spatiaux.
Leur étude a été dirigée par le membre du laboratoire de Menon, Apratim Majumder, professeur adjoint de recherche au Département de génie électrique et informatique. Les co-auteurs incluent les collègues membres du laboratoire de Menon, Alexander Ingold et Monjurul Meem, le Tanner Obray et Paul Ricketts du ministère de la Physique et de l'astronomie, et Nicole Brimhall d'OBLATE OPTICS.
Les lentilles se penchent pour que les objets apparaissent plus grands. Plus la lentille est épaisse et lourde, plus elle plie la lumière et plus le grossissement est fort. Pour les caméras de tous les jours et les télescopes d'arrière-cour, l'épaisseur de l'objectif n'est pas un énorme problème.
Mais lorsque les télescopes doivent concentrer la lumière des galaxies à des millions d'années-lumière, la majeure partie de leurs lentilles devient peu pratique. C'est pourquoi les télescopes de l'observatoire et de l'espace s'appuient plutôt sur des miroirs incurvés massifs pour obtenir le même effet de flexion de la lumière, car ils peuvent être rendus beaucoup plus fins et plus légers que les lentilles.
Les scientifiques ont également essayé de résoudre le problème de la vulgabilité en concevant des lentilles plates, qui manipulent la lumière d'une manière différente.
Un type existant, appelé plaque de zone de Fresnel (FZP), utilise des crêtes concentriques pour concentrer la lumière, plutôt qu'une surface épaisse et incurvée. Bien que cette méthode crée un objectif léger et compact, il est livré avec un compromis: il ne peut pas produire de vraies couleurs. Plutôt que de plier toutes les longueurs d'onde de la lumière visible au même angle, les crêtes d'un FZP les diffractent à différents angles, ce qui entraîne une image avec des aberrations chromatiques ou des distorsions de couleur.
Entrez Rajesh Menon et son équipe aux États-Unis. Leur nouvel objectif plat offre le même pouvoir de flexion légère que les lentilles incurvées traditionnelles tout en évitant les distorsions de couleur des FZP.
« Nos techniques de calcul ont suggéré que nous pourrions concevoir des objectifs plats diffractifs à plusieurs niveaux avec de grandes ouvertures qui pourraient concentrer la lumière à travers le spectre visible et nous avons les ressources dans le nanofab de l'Utah pour les fabriquer réellement », a déclaré Menon, qui dirige le laboratoire de U pour les nanotechnologies optiques.
L'innovation clé réside dans les petits anneaux concentriques microscopiquement que les chercheurs peuvent stimuler le substrat. Contrairement aux crêtes de FZPS, qui sont optimisées pour une seule longueur d'onde, la taille et l'espacement des indentations de la lentille plate maintiennent les longueurs d'onde diffractées de lumière suffisamment étroites pour produire une image en couleur en couleur.
« La simulation des performances de ces lentilles sur une très grande bande passante, de visible à presque infrarouge, a impliqué la résolution de problèmes de calcul complexes impliquant de très grands ensembles de données », a déclaré Majumder.
« Une fois que nous avons optimisé la conception des microstructures de l'objectif, le processus de fabrication impliqué a nécessité un contrôle de processus très strict et une stabilité environnementale. »
Une grande lentille plate et précise pourrait avoir des implications massives dans toutes les industries, mais son application la plus immédiate est en astronomie. Les chercheurs ont démontré les capacités de leur objectif plat avec des images d'essai du soleil et de la lune.
« Notre démonstration est un tremplin vers la création d'objectifs plats légers à très grande ouverture avec la capacité de capturer des images en couleur pour une utilisation dans des télescopes basés sur l'air et l'espace », a déclaré Majumder.
