El futuro de las lentes de telescopio es plano

Ingenieros de la Universidad de Illinois crean la primera lente de telescopio plana que puede capturar el color mientras detecta la luz de estrellas lejanas.

Durante siglos, las lentes han funcionado de la misma manera: vidrio o plástico curvado que desvía la luz para enfocar las imágenes. Sin embargo, las lentes tradicionales presentan una gran desventaja: cuanto más potentes necesitan ser, más voluminosas y pesadas se vuelven. Los científicos llevan mucho tiempo buscando la manera de reducir el peso de las lentes sin sacrificar su funcionalidad. Y aunque existen alternativas más delgadas, tienden a tener una capacidad limitada y, por lo general, su fabricación es compleja y costosa.

Una nueva investigación del profesor de ingeniería de la Universidad de Utah, Rajesh Menon, y sus colegas de la Facultad de Ingeniería Price ofrece una solución prometedora aplicable a telescopios y astrofotografía: una lente plana de gran apertura que enfoca la luz con la misma eficacia que las lentes curvas tradicionales, conservando la precisión del color. Esta tecnología podría transformar los sistemas de imágenes astrofotográficas, especialmente en aplicaciones donde el espacio es un factor clave, como en aeronaves, satélites y telescopios espaciales.

Su último estudio, publicado en la portada de la revista Applied Physics Letters, fue dirigido por Apratim Majumder, miembro del Laboratorio Menon y profesor asistente de investigación del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática. Entre los coautores se encuentran Alexander Ingold y Monjurul Meem, miembros del Laboratorio Menon; Tanner Obray y Paul Ricketts, del Departamento de Física y Astronomía; y Nicole Brimhall, de Oblate Optics.

Si alguna vez ha usado una lupa, sabe que las lentes desvían la luz para que los objetos parezcan más grandes. Cuanto más gruesa y pesada sea la lente, más desvía la luz y mayor es el aumento. Para las cámaras de uso diario y los telescopios domésticos, el grosor de la lente no supone un gran problema. Sin embargo, cuando los telescopios deben enfocar la luz de galaxias a millones de años luz de distancia, el tamaño de sus lentes se vuelve impráctico. Por eso, los telescopios de observatorios y espaciales utilizan espejos curvos masivos para lograr el mismo efecto de desvío de la luz, ya que pueden fabricarse considerablemente más delgados y ligeros que las lentes.

Los científicos también han intentado resolver el problema del volumen mediante el diseño de lentes planas, que manipulan la luz de forma diferente. Un tipo existente, llamado placa de zona de Fresnel (FZP), utiliza crestas concéntricas para enfocar la luz, en lugar de una superficie gruesa y curva. Si bien este método crea una lente ligera y compacta, tiene una desventaja: no puede producir colores verdaderos. En lugar de curvar todas las longitudes de onda de la luz visible en el mismo ángulo, las crestas de una FZP las difractan en diferentes ángulos, lo que resulta en una imagen con aberraciones cromáticas o distorsiones de color.

Entran en escena Rajesh Menon y su equipo en la Universidad de Illinois. Su nueva lente plana ofrece la misma capacidad de curvar la luz que las lentes curvas tradicionales, a la vez que evita las distorsiones de color de las FZP.

“Nuestras técnicas computacionales nos permitieron diseñar lentes planas difractivas multinivel con grandes aperturas que enfocan la luz en todo el espectro visible, y contamos con los recursos en Utah Nanofab para fabricarlas”, afirmó Menon, director del Laboratorio de Nanotecnologías Ópticas de la U.

La innovación clave reside en los anillos concéntricos microscópicamente pequeños que los investigadores pueden modelar sobre el sustrato. A diferencia de las crestas de las FZP, optimizadas para una sola longitud de onda, el tamaño y la separación de las hendiduras de la lente plana mantienen las longitudes de onda de la luz difractada lo suficientemente cerca como para producir una imagen enfocada a todo color.

“Simular el rendimiento de estas lentes en un ancho de banda muy amplio, desde el visible hasta el infrarrojo cercano, implicó resolver complejos problemas computacionales que involucraban conjuntos de datos muy grandes”, explicó Majumder. “Una vez optimizado el diseño de las microestructuras de las lentes, el proceso de fabricación requirió un control de proceso muy riguroso y estabilidad ambiental”.

Una lente grande, plana y con precisión de color podría tener importantes implicaciones en diversas industrias, pero su aplicación más inmediata es en astronomía. Los investigadores demostraron las capacidades de su lente plana con imágenes de prueba del Sol y la Luna.

“Nuestra demostración es un paso adelante hacia la creación de lentes planas ligeras de gran apertura con la capacidad de capturar imágenes a todo color para su uso en telescopios aeroespaciales”, afirmó Majumder.

El estudio, “Astrofotografía en color con una lente plana de polímero f/2 de 100 mm de diámetro”, se publicó el 3 de febrero en Applied Physics Letters. Esta investigación contó con el apoyo de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) (FA8650-20-C-7020 P00001), la Oficina de Investigación Naval (N00014-22-1-2014) y la NASA (NNL16AA05C). Este contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente la opinión oficial de estas agencias de financiación. Monjurul Meem es actualmente ingeniero de procesos en Intel.