Universidad
Politécnica de Madrid

13.10.2020

La nueva lente está basada en tecnología de cristales líquidos, y potencialmente tiene múltiples aplicaciones, desde microscopios y telescopios a cámaras digitales y LIDAR. Las lentes destacan por su tamaño, mucho mayor que cualquier prototipo anterior, su calidad de imagen, su rango y velocidad de sintonización, y la simplicidad de su proceso de fabricación y de su control digital.

Las lentes son objetos cotidianos en nuestro mundo. Las llevamos sobre nuestra nariz, en las cámaras de nuestros móviles, y en toda clase de dispositivos de proyección e iluminación. El foco de una lente suele ser fijo, aunque la distancia focal de un sistema de lentes puede modificarse variando la distancia entre las mismas. Alternativamente, se pueden construir lentes progresivas cuya distancia focal es diferente dependiendo de la zona que se mira. Estas soluciones requieren una micromecánica compleja (caso de los móviles) o dificultades de visualización de imágenes completas (caso de las lentes progresivas).

Las lentes que se han desarrollado en CEMDATIC (Centro de Materiales y Dispositivos Avanzados para TIC) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) pueden solucionar estas dificultades, proporcionando lentes adaptables sin comprometer la calidad del haz luminoso ni la visión de imágenes completas.

Son planas, delgadas, y se controlan aplicando tensiones eléctricas a unos electrodos internos, de forma semejante a los electrodos que lleva la pantalla de una calculadora.

Cómo se construyen

Las nuevas lentes se construyen apilando dos elementos ópticos, una lámina de fase espiral y una lente difractiva espiral. Estos elementos, por separado, inducen los llamados vórtices ópticos, pero juntos emulan una lente difractiva convencional.

•    El gran avance conseguido por estas lentes se basa en realidad en una idea muy simple: el diseño de una lente espiral difractiva implica la adición de una lámina de fase espiral y una lente difractiva. Pues bien, lo que se suma en el diseño se puede restar en el montaje.

•    Aún mejor, el mismo dispositivo en cascada puede emular, no una, sino un buen número de lentes, sin más que variar la tensión de control de los electrodos internos de las células de cristal líquido. La versión construida posee 24 electrodos en cada cara, con los que puede decidirse la distancia focal de la lente. Se puede cambiar la focal cambiando el patrón de tensiones aplicadas.

 La combinación de distintos patrones de campos aplicados a los dos dispositivos en cascada emulan distintas lentes. Los campos eléctricos se aplican con la misma facilidad como en una pantalla plana cotidiana.

El control de 48 electrodos en una célula de cristal líquido no es un problema complicado, piénsese que cualquier pantalla de cristal líquido, como la de un ordenador o una TV, tiene algunos millones –sí, millones– de electrodos. La velocidad de conmutación es suficiente para que, si la lente se utiliza en una cámara, pueda capturar los colores primarios RGB de forma secuencial, eliminando por completo la aberración cromática del sistema de lentes.

El invento es un ejemplo de una implementación simple, con uso cotidiano, del concepto vórtice óptico (mucho más complejo), conocido también como momento angular orbital de la luz. Utilizamos esta propiedad (el momento angular orbital) que se puede introducir y eliminar, combinando varios elementos ópticos en cascada para emular la lente. Las estructuras espirales permiten un contacto periférico, lo que simplifica y abarata la producción del dispositivo final.

Basada en este desarrollo, la Universidad Politécnica de Madrid ha registrado la patente española ES2711456 (A1).

Geday, M. A., Caño-García, M., Otón, J. M., Quintana, X., Adaptive Spiral Diffractive Lenses—Lenses With a Twist. Adv. Optical Mater. 2020, 2001199. doi.org/10.1002/adom.202001199