Metasurfaces muliggør forbedret optisk linseydelse

At producere de perfekte farvebilleder, vi har brug for og elsker, kræver ofte flere, tunge linser, så hver farve fokuserer i nøjagtig samme plan. Nu har Penn State-ingeniører udviklet en ny teori, der løser problemet ved hjælp af en enkelt tynd linse bestående af gradientindeksmaterialer og metasurface-lag for at rette lyset korrekt.

"Hvis vi vil have højtydende optiske systemer, så er vi nødt til at overvinde materialespredning, " sagde Sawyer D. Campbell, adjunkt i elektroteknik. "Hvis vi ikke gør det, vi får snavsede farver, som væsentligt forringer billedkvaliteten."

Enkelte apokromatiske linser - dem, der korrekt fokuserer de tre farver rød, blå og grøn - der har mindre krumning og er tyndere og lettere, kunne forbedre mobiltelefonkameraer og tillade fremstilling af tyndere mobiltelefoner. De kunne også gøre lettere, bedre kropskameraer, hjelm kameraer, snigskytte kikkert, termiske billeddannende enheder og ubemandede luftfartøjer eller droner. I det væsentlige, alt, der bruger linser til at afbilde, kunne gøres enklere og lettere.

"Normalt er der flere linser, men det øger vægten, " sagde Jogender Nagar, kandidatstuderende i elektroteknik. "Vores mål er at forbedre SWaP – reducere størrelse og vægt og samtidig øge ydeevnen."

Forskerne mente at kombinere to teknologier:den for gradient-index (GRIN) linse, og metasurfaces - ultratynde optiske lag med sub-bølgelængde funktioner, der manipulerer bølgefronten på en ønsket måde. Forskerne rapporterer resultaterne af deres arbejde i det aktuelle nummer af Optica .

"Vores system bruger én linse, " sagde Nagar. "Vi bruger linsens krumning, fordelingen af ​​materialer i linsen, og en metasurface – et mønster placeret på overfladen – for at gøre linsen tyndere, lettere, men stadig fokusere ordentligt."

De fleste linser bruger krumning til at styre fokuspunktet, men tre separate konventionelle linser er nødvendige for at fokusere de tre separate farver til ét fokuspunkt og producere et billede af høj kvalitet. Ved rumligt at variere materialesammensætningen inde i linsen, et GRIN-objektiv kan perfekt fokusere to farver. Derefter, ved at tilføje en metasurface til GRIN-objektivet, en lagdelt linse kan perfekt fokusere alle tre farver og udføre arbejdet med tre konventionelle linser.

"Gradienten i linsen kan være aksial - varierende i retningen af ​​lysets udbredelse, eller optisk akse; eller radial – varierende udad fra den optiske akse, " sagde Douglas H. Werner, John L. og Genevieve H. McCain Chair Professor i elektroteknik. "Eller det kunne være mere komplekst."

Forskerne udviklede en teoretisk model og simuleringsramme til at skabe disse linser.

"Vi skulle bruge nogle avancerede værktøjer, der var specielt udviklet i laboratoriet, " sagde Werner. "Værktøjer til modellering, simulering og optimering, som vi skabte til at løse et så udfordrende designproblem."

Den teoretiske model specificerer den korrekte overfladekrumning og gradient i GRIN-objektivet og det korrekte mønster for metaoverfladen for at opfylde kravene til perfekt fokusering af alle tre farver. Modellen optimerer både linsen og metasfladen til at arbejde sammen.

"Teorien er meget generel og dækker en lang række forhold, " sagde Werner. "Fabrikation vil være udfordringen i starten. Vi håber udviklingen af ​​teorien vil styre fremstillingen, gør det muligt at producere sådanne linser til en lav pris og høj volumen."