Revolutionerende ultratynde meta-objektiv muliggør billedbehandling i fuld farve

Lys i forskellige farver bevæger sig med forskellige hastigheder i forskellige materialer og strukturer. Det er derfor, vi ser hvidt lys splittet i dets bestanddele efter brydning gennem et prisme, et fænomen kaldet dispersion. En almindelig linse kan ikke fokusere lys i forskellige farver til et enkelt sted på grund af spredning. Det betyder, at forskellige farver aldrig er i fokus på samme tid, og derfor er et billede, der dannes af en så simpel linse, uundgåeligt sløret. Konventionelle billeddannelsessystemer løser dette problem ved at stable flere linser, men denne løsning kommer på bekostning af øget kompleksitet og vægt.

Columbia Engineering -forskere har skabt den første flade linse, der er i stand til korrekt at fokusere et stort udvalg af farver i enhver polarisering til det samme fokuspunkt uden behov for yderligere elementer. Kun en mikron tyk, deres revolutionerende "flade" linse er meget tyndere end et ark papir og tilbyder ydelse, der kan sammenlignes med top-of-the-line sammensatte objektivsystemer. Resultaterne fra teamet, ledet af Nanfang Yu, lektor i anvendt fysik, er skitseret i en ny undersøgelse, udgivet i dag af Lys:Videnskab og applikationer .

En konventionel linse fungerer ved at dirigere alt det lys, der falder på den, gennem forskellige stier, så hele lysbølgen ankommer til brændpunktet på samme tid. Det er fremstillet til at gøre det ved at tilføje en stigende forsinkelse til lyset, når det går fra kanten til midten af ​​linsen. Derfor er en konventionel linse tykkere i midten end ved kanten.

Med det mål at opfinde en tyndere, lettere, og billigere objektiv, Yus hold tog en anden tilgang. Ved at bruge deres ekspertise inden for optiske "metasurfaces"-konstruerede todimensionale strukturer-til at kontrollere lysudbredelse i det frie rum, forskerne byggede flade linser lavet af pixels, eller "meta-atomer". Hvert meta-atom har en størrelse, der kun er en brøkdel af lysets bølgelængde og forsinker lyset, der passerer gennem det med en anden mængde. Ved at mønstre et meget tyndt lag af nanostrukturer på et underlag så tyndt som et menneskehår, forskerne var i stand til at opnå den samme funktion som et meget tykkere og tungere konventionelt linsesystem. Ser man på fremtiden, de regner med, at metalinserne kan erstatte omfangsrige linsesystemer, kan sammenlignes med den måde, fladskærms-tv har erstattet katodestrålerør-tv.

"Skønheden ved vores flade linse er, at ved at bruge meta-atomer af komplekse former, det giver ikke kun den korrekte fordeling af forsinkelse for en enkelt lysfarve, men også for et kontinuerligt lysspektrum, "Yu siger." Og fordi de er så tynde, de har potentiale til drastisk at reducere størrelsen og vægten af ​​ethvert optisk instrument eller en enhed, der bruges til billeddannelse, såsom kameraer, mikroskoper, teleskoper, og endda vores briller. Tænk på et par briller med en tykkelse tyndere end et ark papir, smartphone -kameraer, der ikke bukker ud, tynde pletter af billeddannelses- og sensingsystemer til førerløse biler og droner, og miniaturiserede værktøjer til medicinske billeddannelsesapplikationer. "

Yus team fremstillede meta-linserne ved hjælp af standard 2-D plane fremstillingsteknikker svarende til dem, der blev brugt til fremstilling af computerchips. De siger, at masseproduktion af meta-linser bør være meget enklere end at producere computerchips, da de kun skal definere et lag nanostrukturer - til sammenligning moderne computerchips har brug for mange lag, nogle så mange som 100. Fordelen ved de flade metalinser er, at, i modsætning til konventionelle objektiver, de behøver ikke at gå igennem de dyre og tidskrævende slibe- og poleringsprocesser.

"Produktionen af ​​vores flade linser kan massivt paralleliseres, giver store mængder høj ydeevne og billige linser, "bemærker Sajan Shrestha, en doktorand i Yus gruppe, der var medlederforfatter af undersøgelsen. "Vi kan derfor sende vores linsedesign til halvlederstøberier til masseproduktion og drage fordel af stordriftsfordele i industrien."

Fordi den flade linse kan fokusere lys med bølgelængder fra 1,2 til 1,7 mikrometer i nær-infrarød til det samme fokuspunkt, det kan danne "farverige" billeder i det nær-infrarøde bånd, fordi alle farverne er i fokus på samme tid-afgørende for farvefotografering. Objektivet kan fokusere lyset i enhver vilkårlig polarisationstilstand, så det fungerer ikke kun i et laboratorium, hvor polarisationen kan kontrolleres godt, men også i virkelige verden -applikationer, hvor omgivende lys har tilfældig polarisering. Det fungerer også for transmitteret lys, praktisk til integration i et optisk system.

"Vores designalgoritme udtømmer alle frihedsgrader ved at forme en grænseflade til et binært mønster, og, som resultat, vores flade linser er i stand til at nå ydeevnen, der nærmer sig den teoretiske grænse, som en enkelt nanostruktureret grænseflade muligvis kan opnå, "Adam Overvig, undersøgelsens anden medforfatter og også en doktorand med Yu, siger. "Faktisk, vi har demonstreret et par flade linser med de bedst teoretisk mulige kombinerede egenskaber:for en given meta-objektivdiameter, vi har opnået det strammeste fokuspunkt over det største bølgelængdeområde. "

Tilføjer University of Pennsylvania H. Nedwill Ramsey Professor Nader Engheta, en ekspert i nanofotonik og metamaterialer, der ikke var involveret i denne undersøgelse:"Dette er et elegant værk fra professor Nanfang Yus gruppe, og det er en spændende udvikling inden for fladoptik. Denne akromatiske metalins, som er den nyeste inden for konstruktion af metasurfaces, kan åbne døre til nye innovationer i et mangfoldigt sæt applikationer, der involverer billeddannelse, fornemmelse, og kompakt kamerateknologi. "

Nu hvor meta-linserne, der er bygget af Yu og hans kolleger, nærmer sig ydeevnen af ​​billedobjektivsæt i høj kvalitet, med meget mindre vægt og størrelse, teamet har en anden udfordring:at forbedre linsernes effektivitet. De flade linser er i øjeblikket ikke optimale, fordi en lille brøkdel af den optiske optiske effekt enten reflekteres af den flade linse, eller spredt i uønskede retninger. Teamet er optimistisk om, at spørgsmålet om effektivitet ikke er grundlæggende, og de har travlt med at opfinde nye designstrategier for at løse effektivitetsproblemet. De er også i samtaler med industrien om at videreudvikle og licensere teknologien.

Undersøgelsen har titlen "Bredbånd akromatisk dielektrisk metalenses."