Hybridoptik bringer farvebilleddannelse ved hjælp af ultratynde metallinser i fokus

For fotografer og videnskabsmænd, linser er livreddere. De reflekterer og bryder lys, muliggøre billeddannelsessystemer, der driver opdagelse gennem mikroskopet og bevarer historien gennem kameraer.

Men nutidens glasbaserede linser er omfangsrige og modstår miniaturisering. Næste generations teknologier, såsom ultratynde kameraer eller små mikroskoper, kræver linser lavet af et nyt udvalg af materialer.

I et papir udgivet 9. februar in Videnskab fremskridt , forskere ved University of Washington meddelte, at de med succes har kombineret to forskellige billeddannelsesmetoder - en type linse designet til nanoskala -interaktion med lysbølger, sammen med robust beregningsbehandling-til at skabe billeder i fuld farve.

Holdets ultratynde linse er en del af en klasse af konstruerede objekter kendt som metasurfaces. Metasurfaces er 2-D analoger af metamaterialer, som er fremstillede materialer med fysiske og kemiske egenskaber, der normalt ikke findes i naturen. En metasurface-baseret linse-eller metalens-består af flade mikroskopisk mønstrede materialeoverflader designet til at interagere med lysbølger. Til dato, billeder taget med metalenses giver klare billeder - i bedste fald - for kun små udsnit af det visuelle spektrum. Men UW-teamets metaller-i forbindelse med beregningsfiltrering-giver billeder i fuld farve med meget lave afvigelser på tværs af det visuelle spektrum.

"Vores tilgang kombinerer de bedste aspekter ved metalenses med computational imaging - hvilket gør det muligt for os, for første gang, at producere billeder i fuld farve med høj effektivitet, "sagde seniorforfatter Arka Majumdar, en UW adjunkt i fysik og elektroteknik.

I stedet for fremstillet glas eller silikone, metalenses består af gentagne arrays af strukturer i nanometerskala, f.eks. søjler eller finner. Hvis det er ordentligt lagt op på disse små skalaer, disse strukturer kan interagere med individuelle lysbølger med præcision, som traditionelle linser ikke kan. Da metalenses også er så små og tynde, de fylder meget mindre end kameraets omfangsrige linser og mikroskoper i høj opløsning. Metalenses fremstilles ved den samme type halvlederfremstillingsproces, der bruges til at lave computerchips.

"Metalenses er potentielt værdifulde værktøjer til optisk billeddannelse, da de kan designes og konstrueres til at fungere godt for en given bølgelængde af lys, "sagde hovedforfatter Shane Colburn, en UW doktorand i elektroteknik. "Men det har også været deres ulempe:Hver metalmetal fungerer kun bedst inden for et snævert bølgelængdeinterval."

I forsøg med at fremstille billeder med metalenses, det optimale bølgelængdeområde har hidtil været meget snævert:i bedste fald omkring 60 nanometer bredt med høj effektivitet. Men det visuelle spektrum er 300 nanometer bredt.

Dagens metallinser producerer typisk nøjagtige billeder inden for deres snævre optimale område-f.eks. Et helt grønt billede eller et helt rødt billede. For scener, der indeholder farver uden for det optimale område, billederne virker uskarpe, med dårlig opløsning og andre defekter kendt som "kromatisk aberration." For en rose i en blå vase, en rødoptimeret metal kan opfange rosenes røde kronblade med få afvigelser, men den grønne stilk og blå vase ville være uløste pletter - med høje niveauer af kromatiske afvigelser.

Majumdar og hans team antog, at hvis et enkelt metal kan producere en ensartet visuel aberration i et billede på tværs af alle synlige bølgelængder, så kunne de løse aberrationerne for alle bølgelængder bagefter ved hjælp af beregningsmæssige filtreringsalgoritmer. For rosen i den blå vase, denne type metaller ville fange et billede af den røde rose, blå vase og grøn stilk alle med lignende typer kromatiske aberrationer, som senere kunne håndteres ved hjælp af beregningsfiltrering.

De konstruerede og konstruerede et metalværk, hvis overflade var dækket af små, nanometers brede søjler af siliciumnitrid. Disse søjler var små nok til at diffraktere lys på tværs af hele det visuelle spektrum, som omfatter bølgelængder fra 400 til 700 nanometer.

Kritisk, forskerne designede arrangementet og størrelsen af ​​siliciumnitrid -søjlerne i metalerne, så det ville udvise en "spektralt invariant punktspredningsfunktion." I det væsentlige, denne funktion sikrer, at - for hele det visuelle spektrum - ville billedet indeholde afvigelser, der kan beskrives ved den samme type matematisk formel. Da denne formel ville være den samme uanset lysets bølgelængde, forskerne kunne anvende den samme type beregningsbehandling for at "rette" fejlene.

De byggede derefter en prototype metalens baseret på deres design og testede, hvor godt metalens klarede sig, når de blev kombineret med beregningsmæssig behandling. Et standardmål for billedkvalitet er "strukturel lighed" - en metrik, der beskriver, hvor godt to billeder af samme scene deler lysstyrke, struktur og kontrast. Jo højere kromatisk aberration i et billede, jo lavere strukturel lighed vil det have med det andet billede. UW -teamet fandt ud af, at når de brugte konventionelle metaller, de opnåede en strukturel lighed på 74,8 procent ved sammenligning af røde og blå billeder af det samme mønster; imidlertid, når de bruger deres nye metalens design og beregning, den strukturelle lighed steg til 95,6 procent. Alligevel er den samlede tykkelse af deres billeddannelsessystem 200 mikrometer, hvilket er omkring 2, 000 gange tyndere end nuværende mobiltelefonkameraer.

"Dette er en væsentlig forbedring af metalens ydeevne til fuldfarvebilleddannelse - især for at eliminere kromatiske aberrationer, "sagde medforfatter Alan Zhan, en UW -doktorand i fysik.

Ud over, i modsætning til mange andre metasurface-baserede billeddannelsessystemer, UW-holdets tilgang påvirkes ikke af lysets polariseringstilstand-som refererer til orienteringen af ​​det elektriske felt i det 3D-rum, som lysbølger bevæger sig i.

Holdet sagde, at dets metode skulle tjene som en køreplan for at lave en metalens - og designe yderligere beregningsmæssige behandlingstrin - der kan fange lys mere effektivt, samt skærpe kontrasten og forbedre opløsningen. Det kan bringe små, næste generations billeddannelsessystemer inden for rækkevidde.