System af flade optiske linser, der nemt kan masseproduceres og integreres med billedsensorer

Ingeniører hos Caltech har udviklet et system af flade optiske linser, der let kan masseproduceres og integreres med billedsensorer, baner vejen for billigere og lettere kameraer i alt fra mobiltelefoner til medicinsk udstyr.

Teknologien er afhængig af at stable to metasurfacer. Metasurfaces er ark af materiale, hvis elektromagnetiske egenskaber kan ændres efter behov. I dette tilfælde, metasfladerne er oversået med siliciumcylindre, der er mindre end en mikron på tværs, som ændrer den måde, lyset passerer gennem dem.

"Den måde, vi laver linser på, har ikke ændret sig meget siden van Leeuwenhoeks tid. Indtil nu, " siger Caltechs Andrei Faraon (BS '04), med henvisning til Antonie van Leeuwenhoek, en hollandsk videnskabsmand og linseproducent, der skabte nogle af de første mikroskoper.

Faraon, assisterende professor i anvendt fysik og materialevidenskab i Caltechs afdeling for ingeniørvidenskab og anvendt videnskab, samarbejdet med Caltech postdoc-forsker Amir Arbabi og Seunghoon Han fra Samsung Electronics om at udvikle linsesystemet. Deres arbejde blev udgivet i Naturkommunikation den 28. november.

En klassisk linse lavet af plastik eller glas har en buet form, der bøjer banen for indkommende lys mod et enkelt brændpunkt. Dette skyldes, at lyset bevæger sig hurtigere gennem det tyndere glas ved linsens kanter end gennem det tykkere glas i midten.

Metasfladerne udfører den samme opgave ved hjælp af siliciumnanoposter, cylindre kun 600 nanometer høje og med varierende diametre i hundredvis af nanometer. (For skala, et hårstrå er 100, 000 nanometer bred.) Hver metaflade er oversået med titusinder af disse poster. Lys bevæger sig hurtigere gennem nanoposter med mindre diametre end gennem nanoposter med større diametre, så styring af bredden af ​​nanoposterne giver ingeniørerne mulighed for at finjustere lysets vej gennem metasfladen for at skabe flade linser.

Tidlige eksperimenter med nanopost metasurfaces gav linser, hvis billeder var slørede rundt om kanterne - som et forstørrelsesglas. Imidlertid, ved at koble to metasflader sammen, hver nanopost-side-ud, ingeniørerne var i stand til at skabe et linsesystem, der kan fange og fokusere lys fra et 70-graders vinkelområde, gør teknologien nyttig for første gang i mikroskop- og kamerabilleddannelsesapplikationer.

"Metaoverflader som disse kan nemt masseproduceres, ligesom computerchips er, " siger Arbabi. "Det betyder, at dette kunne være en billig og let skalerbar måde at skabe små linser på kun få millimeter i diameter."

Ud over, linserne kan integreres problemfrit med CMOS (komplementære metal-oxid semiconductor) billedsensorer, fordi de er fremstillet ved hjælp af de samme materialer og fremstillingsteknikker. CMOS billedsensorer er de små chips, der understøtter digital fotografering, og blev udviklet hos JPL.

Flad, letvægts, og billige objektiver er efterspurgte til forskellige forbrugerelektronik udstyret med kameraer, eller medicinsk udstyr såsom endoskoper, siger Faraon.

Næste, holdet planlægger at integrere disse linser i miniaturiserede kameraer og mikroskoper, og udvide deres funktionalitet og driftsbåndbredde.