Durante séculos, as lentes funcionaram da mesma maneira: superfícies curvas de vidro ou plástico que refratam a luz para formar imagens nítidas. Entretanto, um grande problema dos métodos tradicionais é que, quanto maior a potência exigida, mais espessas e pesadas se tornam essas lentes.
Cientistas vêm buscando uma forma de reduzir esse peso sem comprometer o desempenho, mas as alternativas mais compactas costumam ter limitações técnicas, além de serem difíceis e onerosas de produzir.
Mas, agora, uma nova pesquisa liderada pelo professor Rajesh Menon, da Price Engineering, e sua equipe, apresenta solução promissora para aplicações em telescópios e astrofotografia: uma lente plana de grande abertura que foca a luz com a mesma eficácia das lentes curvas convencionais, mantendo a precisão das cores.
Essa tecnologia tem potencial para revolucionar os sistemas de imagem em astrofotografia, especialmente em situações onde o espaço e o peso são fatores críticos, como em aeronaves, satélites e telescópios espaciais.
O estudo, que estampou a capa da revista Applied Physics Letters, foi coordenado por Apratim Majumder, membro do laboratório do professor Menon e professor assistente de ECE Research. Entre os coautores, encontram-se Alexander Ingold e Monjurul Meem, também do laboratório de Menon, além de Tanner Obray e Paul Ricketts, do Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Utah (EUA), e Nicole Brimhall, da Oblate Optics.
Entendendo a lente revolucionária
Para entender a inovação, basta lembrar que uma lupa – ou qualquer lente – aumenta os objetos ao dobrar a luz. Lentes mais grossas conseguem maior magnificação, o que não é um problema para câmeras do dia a dia ou telescópios amadores.
Porém, para captar a luz proveniente de galáxias a milhões de anos-luz de distância, lentes volumosas tornam-se impraticáveis. Por isso, telescópios observatórios e espaciais recorrem a grandes espelhos curvos, que, por serem fabricados com materiais mais finos, permitem reduzir o peso sem perder a capacidade de curvar a luz.
Outra estratégia para contornar o problema da espessura foi o desenvolvimento de lentes planas, que manipulam a luz de forma distinta. Um exemplo já existente é a placa de zonas de Fresnel, que utiliza sulcos concêntricos para focar a luz.
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Apesar de oferecer dispositivo leve e compacto, essa técnica tem limitação crucial: não consegue produzir imagens com cores reais. Isso ocorre porque os sulcos difratam os diferentes comprimentos de onda de forma desigual, gerando aberrações cromáticas e distorções de cor. É nesse contexto que surge a inovação da equipe de Rajesh Menon.
- A nova lente plana desenvolvida utiliza anéis concêntricos minúsculos, meticulosamente padronizados sobre um substrato;
- Ao contrário dos sulcos das placas de Fresnel, ajustados para um único comprimento de onda, as dimensões e espaçamentos desses micro-relevos foram otimizados para manter os diferentes comprimentos de onda da luz suficientemente próximos, resultando em imagens em foco e com cores precisas;
- Majumder explica que a simulação do desempenho dessa lente, abrangendo amplo espectro – do visível ao infravermelho próximo – exigiu a resolução de complexos problemas computacionais com grandes volumes de dados;
- Após a otimização das microestruturas, o processo de fabricação demandou rigoroso controle de processo e condições ambientais estáveis.
Uma lente plana, leve e com alta fidelidade de cor pode impactar diversas indústrias, mas sua aplicação mais imediata está na astronomia. Os pesquisadores demonstraram a eficácia de sua inovação com imagens-teste do Sol e da Lua, afirmando que esse avanço é apenas um primeiro passo rumo à criação de lentes de grande abertura, ideais para telescópios baseados em aeronaves e no Espaço.
“Esta demonstração é um trampolim para desenvolver lentes planas de grande abertura, leves e capazes de captar imagens em cores completas, para uso em telescópios aéreos e espaciais”, conclui Majumder.
O trabalho contou com o apoio da Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), do Office of Naval Research e da NASA, e representa uma mudança de paradigma na maneira como a luz pode ser manipulada para a obtenção de imagens de alta qualidade, potencializando a próxima geração de instrumentos astronômicos. Monjurul Meem, um dos colaboradores, segue atuando como engenheiro de processos na Intel.
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