I progettisti ottici affrontano una sfida continua per soddisfare le richieste dei consumatori di dispositivi più piccoli e leggeri, come le fotocamere, migliorando continuamente la qualità dell’immagine. Di norma, ottenere una qualità ottimale è una funzione del numero di obiettivi: più obiettivi puoi inserire nel dispositivo, migliore è la risoluzione e la precisione del colore che puoi ottenere.
Nel caso delle fotocamere degli smartphone, i dispositivi attualmente sul mercato hanno fino a otto obiettivi. A partire dal 2022, le domande di brevetto mostravano progetti che ne includevano almeno altri due.
Per raggiungere questo punto, i produttori hanno dovuto prima abbandonare i vecchi metodi che utilizzavano lenti sferiche in vetro (mostrate nella Figura 1) da un’epoca in cui l’estrema precisione e la miniaturizzazione non erano un requisito. Al posto di questi, le lenti in plastica asferiche sono diventate la norma. La plastica garantisce magrezza e leggerezza. La forma asferica consente configurazioni di lenti complesse che utilizzano la “forza bruta” di potenti calcoli software ottici per orientare e mettere a fuoco i percorsi dei raggi finché non producono un’immagine desiderabile, come mostrato nella Figura 2.
Figura 1. Le generazioni precedenti di ottiche utilizzavano lenti di vetro e semplici calcoli per proiettare e mettere a fuoco i raggi su una superficie che produceva un’immagine. In questo esempio, il sistema di lenti ha una larghezza di circa 15 millimetri, con una superficie proiettata a più di 30 millimetri di distanza.
Figura 2. I requisiti moderni per i sistemi ottici miniaturizzati e leggeri hanno portato all’uso di lenti in plastica asferiche posizionate in un orientamento preciso. I progettisti ottici applicano la “forza bruta” dei calcoli del potente software di simulazione ottica a questi sistemi di lenti per ottenere una qualità dell’immagine superiore all’interno di un piccolo alloggiamento meccanico, come la fotocamera di uno smartphone.
Superare gli ostacoli per creare sistemi ottici più piccoli e leggeri
Non importa quanto siano piccoli o quale materiale usi, più obiettivi aggiungeranno sempre peso al dispositivo. Questo peso aggiunto non solo è scomodo per i consumatori, ma ha anche un impatto sul consumo energetico e sulla producibilità. Gli smartphone utilizzano funzionalità come meccanismi di messa a fuoco automatica e motori a bobina mobile per manipolare fisicamente gli obiettivi spostandoli su e giù all’interno dell’alloggiamento del dispositivo. Ma più pesante è il sistema di lenti, più difficile è eseguire queste manipolazioni in uno spazio così limitato.
La realizzazione di sistemi di lenti più piccoli e leggeri può essere raggiunta solo attraverso i progressi nel software di simulazione ottica, insieme ai progressi della produzione parallela negli utensili di precisione. La simulazione consente di identificare i percorsi dei raggi attraverso un progetto di sistema di lenti proposto e di prevedere e correggere eventuali effetti indesiderati che i raggi hanno sulla qualità dell’immagine. I progressi degli strumenti consentono alle aziende ottiche di produrre i sistemi ottici più piccoli e complessi che i loro ingegneri possano progettare.
Siamo costantemente alla ricerca di modi per sfruttare le ultime evoluzioni dell’ottica e dell’optomeccanica per aiutare i nostri clienti a progettare e produrre i dispositivi ottici migliori, più efficienti e più potenti. Le aziende di telefoni cellulari e i fornitori di obiettivi utilizzano regolarmente le soluzioni Ansys Zemax per creare queste simulazioni con la velocità e la precisione necessarie per tenere il passo in un mercato competitivo.
Ottica diffrattiva: un reticolo sostituisce la necessità di più lenti
Per aiutare a soddisfare le sfide prestazionali dei sistemi miniaturizzati, alcuni team ottici stanno cercando di utilizzare reticoli diffrattivi al posto di determinate lenti. I reticoli diffrattivi sono superfici composte da uno schema ripetuto di piccoli solchi o protuberanze con un periodo costante. Quando la luce colpisce queste superfici, diffrange lo spettro in vari colori visibili in diverse direzioni angolari, producendo un effetto arcobaleno.
A livello scientifico, i reticoli diffrattivi sono tecnicamente spettrometri, che dividono la luce visibile in un insieme di lunghezze d’onda in direzioni precise. Questa capacità rende i reticoli diffrattivi utili per la progettazione ottica a causa dei modi in cui i raggi risultanti possono essere manipolati dentro e fuori da una guida di luce.
Figura 3. Tre esempi di superficie reticolare diffrattiva: reticolo arbitrario (a sinistra), reticolo inclinato (al centro) e reticolo blazed/echelle con rivestimento in alluminio (a destra).
L’ottica diffrattiva è utile soprattutto per fornire una migliore correzione del colore, un componente critico della qualità dell’immagine che è particolarmente difficile da ottenere con le lenti in plastica, che hanno limiti rigorosi sulla loro capacità di controllo del colore all’interno di una singola lente. Per ottenere una buona immagine con lenti in plastica, ne servono di più, il che ha portato alla diffusione delle lenti all’interno dei nostri dispositivi moderni. E se le lenti aggiuntive aggiungeranno sempre costi e peso al tuo prodotto finale, i reticoli diffrattivi forniscono il servizio di fungere da lenti multiple all’interno di un elemento fotonico, riducendo il numero di lenti di cui hai bisogno in generale. Un design che altrimenti avrebbe richiesto otto obiettivi per ottenere una qualità dell’immagine superiore può essere ottenuto utilizzando la metà di quel numero o meno quando il design include un elemento diffrattivo.
I vantaggi di semplificare i progetti di lenti per smartphone utilizzando la diffrazione
La decisione se utilizzare la tecnologia di diffrazione dipende dai compromessi commerciali che un’azienda è disposta a fare. I reticoli di diffrazione sono ottiche complesse e generalmente molto più costose da produrre rispetto alle lenti. Parte di questo costo deriva dal fatto che i reticoli devono essere progettati e realizzati con un alto livello di precisione per evitare il bagliore di colore “arcobaleno” tipicamente ad essi associato. Immagina l’abbagliamento che vedi quando tieni un CD capovolto e lo muovi leggermente nella tua mano: questa è un’esperienza quotidiana dell’effetto reticolo diffrattivo. È una qualità divertente da aggiungere per scopi estetici in alcuni prodotti, ma come caratteristica del sistema ottico è indesiderata.
Tuttavia, se l’elemento diffrattivo giusto per il tuo prodotto ottico vale l’investimento, la semplificazione che fornisce al tuo progetto apporterà una serie di vantaggi. Non solo ottieni i requisiti di qualità dell’immagine con meno peso in meno spazio, ma se ottieni l’ottica giusta, ottieni anche un livello di correzione del colore che non è possibile con i soli obiettivi. Questo perché, utilizzando un singolo elemento al posto di più lenti, non è necessario “annullare” il colore confrontando gli indici diffrattivi tra gli elementi; è tutto in uno. L’elemento diffrattivo stesso corregge il colore senza richiedere calcoli aggiuntivi. Gli elementi diffrattivi sono particolarmente utili con le lenti in plastica, in cui variazioni limitate nell’indice di diffrazione rendono la correzione del colore una sfida unica.
Un altro vantaggio della semplificazione del progetto utilizzando l’ottica diffrattiva è la riduzione degli errori di posizionamento durante la produzione. Minori sono gli elementi, maggiore è la soglia per l’introduzione di problemi con il corretto posizionamento e meno devi preoccuparti di tollerare il sistema.
Nel complesso, tuttavia, il più grande vantaggio è che un minor numero di parti significa che i team possono risparmiare tempo e denaro. Si riducono gli investimenti materiali, così come gli stessi cicli di lavoro, anche per la diminuzione delle considerazioni sulle tolleranze. Avere meno pezzi da allineare e costruire semplifica la produzione e riduce il tempo necessario per costruire.
Questi risparmi sono potenzialmente compensati dal costo di produzione del reticolo diffrattivo, come menzionato sopra, ma i risparmi netti possono comunque rendere la diffrazione un’opzione praticabile in molti scenari. Ci sono anche vantaggi ecologici in quanto i dispositivi più leggeri sono più efficienti dal punto di vista energetico a livello di batteria e avere meno cicli di progettazione e produzione si traduce in un minore impatto ambientale con meno sprechi di materiale.
Per ulteriori approfondimenti e dettagli sui reticoli diffrattivi, incluso il modo in cui possono essere simulati nei prodotti Ansys, leggi l’articolo sull’utilizzo del modello Ansys Lumerical Sub-wavelength Model (LSWM) con Ansys Speos su blog Ansys.
Il prossimo post del blog di questa serie discuterà il ruolo della rigorosa analisi delle onde accoppiate (RCWA) nell’aumentare l’efficienza difrattiva nei sistemi a reticolo difrattivo, insieme ad altri vantaggi innovativi della tecnologia RCWA nella progettazione ottica.
Fonte: Ansys.com