Espejo plano múltiple

Placas de microcanales

Las placas de microcanales (matriz óptica microestructurada = MOA) consisten en una placa plana con microcanales perpendiculares a la superficie de la placa y paralelos entre sí, de sección cuadrada. Una fuente de luz puntual situada a una distancia determinada delante de la óptica se representa por reflexión en las paredes laterales de los canales en un punto focal del plano focal situado a la misma distancia detrás de la placa de microcanales (Fig. 1). Por lo tanto, esta óptica siempre proporciona una escala de imagen de 1:1. El diámetro focal es aproximadamente tan grande como la anchura de los microcanales, normalmente en el rango >10 µm. Las placas de microcanales pueden diseñarse como orificios en una placa (Fig. 1 izquierda) o como una combinación de dos rejillas perpendiculares (Fig. 1 derecha). Esta última tiene el inconveniente de que la reflexión se produce en las direcciones horizontal y vertical una tras otra, lo que da lugar a dos planos focales, es decir, astigmatismo. La figura 2 muestra que esto conduce a un diámetro focal mayor en el plano focal promediado y a dos planos focales delante y detrás de él, cada uno con una línea focal horizontal y otra vertical.

Fig. 1: Camino del haz en una placa de microcanal (izquierda) y segundo tipo de placa de microcanal (derecha)

Una simulación de la distribución de intensidad en el plano focal cuando se ilumina con una fuente de luz puntual muestra, además del foco puntual en el centro, un patrón de fondo de la misma intensidad que estaría presente en este plano sin la óptica (Fig. 2). Además, se aprecia una cruz con una intensidad unas diez veces superior.

Fig. 2: Distribución de intensidad simulada en el foco de una placa de microcanal plana con orificios: el borde exterior, de color verde, tiene la misma intensidad que tendría en este punto si se eliminara la óptica (izquierda) y distribución de intensidad de una placa de microcanal formada por dos rejillas cruzadas (derecha).

Óptica ojo de langosta

Algunas especies de crustáceos decápodos (Decapoda, orden de los crustáceos), el grupo de los bogavantes de cola larga y las langostas (Macrura), como los bogavantes, los camarones y las langostas, tienen ojos que captan la imagen de la luz incidente en las células sensoriales (células de la retinula) a través de microcanales reflectantes (Fig. 3) [Lan 1976]. Este principio también puede utilizarse para la óptica de rayos X [Ang 1979, Har 1980, Gru 2007].

La óptica consiste en una rejilla de microcanales de sección cuadrada. Las aberturas de entrada de luz de los canales se encuentran en una superficie esférica y los canales individuales están alineados hacia el centro de la esfera. Técnicamente, este tipo de óptica suele realizarse curvando una placa de microcanales en dos direcciones. La luz que incide en las paredes laterales lisas de los canales se refleja en la dirección del punto focal. Los puntos focales están situados en una superficie esférica con aproximadamente la mitad del radio de la primera superficie esférica (línea de color turquesa en la Fig. 4). La posición exacta depende de la geometría de los canales y de la distancia de la fuente de luz.

Fig. 3: Óptica del ojo de langosta: fuente de luz (izquierda), rejilla de microcanales (de color dorado) y plano detector con distribución de intensidad simulada (derecha, azul).

Estas ópticas pueden captar un ángulo de campo muy amplio: teóricamente, pueden captar la luz procedente de casi todas las direcciones. Como la óptica utiliza la reflexión externa total (TER), es acromática. Para energías de fotones de hasta unos 10 keV, la eficacia es aceptable, pero las ópticas también pueden utilizarse para energías de fotones mucho mayores. La proporción de luz incidente captada por la óptica y, por tanto, la apertura numérica efectiva vienen determinadas por el ángulo crítico de reflexión interna total dependiente de la longitud de onda, la geometría de los canales y la rugosidad de las paredes de los mismos. Si se desea obtener imágenes de un ángulo sólido grande, es esencial disponer de un detector con una superficie en forma de segmento esférico.

Fig. 4: Trayectoria de los rayos en una vista de ojo de langosta; los rayos perdidos se muestran al pasar el ratón sobre la figura   (gris: espejo, turquesa: detector, rojo: rayos que chocan con los bordes del espejo o sin espejo, azul: rayos reflejados dos veces, verde: rayos reflejados tres veces).

Una fuente puntual se refleja en un foco que dista mucho de parecerse a un punto (Figs. 4 y 5). Sólo la luz que se refleja exactamente una vez alcanza el punto focal. Algunos de los rayos de luz incidentes se pierden porque chocan con los bordes frontales de los espejos, otros porque no chocan con ningún espejo (rayos cercanos al eje óptico). Otros rayos se pierden porque se reflejan más de una vez entre los espejos. Debido al gran ángulo del campo de imagen, apenas se puede evitar que estos rayos lleguen al detector, por ejemplo, utilizando obturadores. Esto da lugar a una señal de fondo no deseada en el detector, lo que conlleva una peor relación señal/ruido (SNR).

La aplicación más importante de las ópticas de ojo de langosta es su uso en telescopios de rayos X en satélites, donde se utilizan para encontrar emisores de rayos X interesantes en el cielo. Si se detecta un objeto de este tipo, se apunta hacia él con un telescopio de rayos X de alta resolución (por ejemplo, óptica Wolter), que sólo puede ver un pequeño ángulo de campo, para tomar imágenes de alta calidad.

Fig. 5: Distribución de intensidad simulada en el foco de la óptica del ojo de langosta de la Fig. 1: Vista lateral (izquierda) y frontal (derecha)