Forskere skaber fokusfrit kamera med ny flad linse

Ved at bruge en enkelt linse, der er omkring en tusindedel af en tomme tyk, forskere har skabt et kamera, der ikke kræver fokusering. Teknologien giver betydelige fordele i forhold til traditionelle kameraer som dem i de fleste smartphones, som kræver flere linser for at danne høj kvalitet, billeder i fokus.

"Vores flade linser kan reducere vægten drastisk, kompleksitet og omkostninger ved kameraer og andre billedsystemer, mens de øger deres funktionalitet, " sagde forskerholdsleder Rajesh Menon fra University of Utah. "Sådan optik kunne muliggøre tyndere smartphone-kameraer, forbedrede og mindre kameraer til biomedicinsk billeddannelse såsom endoskopi, og mere kompakte kameraer til biler."

I Optica , The Optical Society's (OSA) tidsskrift for forskning med høj effekt, Menon og kolleger beskriver deres nye flade linse og viser, at den kan bevare fokus for objekter, der er omkring 6 meter fra hinanden. Flade linser bruger nanostrukturer mønstret på en flad overflade i stedet for omfangsrig glas eller plastik for at opnå de vigtige optiske egenskaber, der styrer den måde, lyset bevæger sig på.

"Denne nye linse kan have mange interessante applikationer uden for fotografering, såsom at skabe højeffektiv belysning til LIDAR, der er afgørende for mange autonome systemer, herunder selvkørende biler, sagde Menon.

Forskerne siger, at designtilgangen, de brugte, kunne udvides til at skabe optiske komponenter med et hvilket som helst antal egenskaber, såsom ekstrem båndbredde, lettere fremstilling eller lavere omkostninger.

Stiller spørgsmålstegn ved lærebogen

konventionelle kameraer, hvad enten det bruges i smartphones eller til mikroskopi, kræver fokusering for at sikre, at detaljerne i et objekt er skarpe. Hvis der er flere genstande i forskellig afstand fra kameraet, hvert objekt skal fokuseres separat.

"Det nye objektiv eliminerer behovet for fokusering og gør det muligt for ethvert kamera at holde alle objekter i fokus samtidigt, " sagde Menon. "Konventionelle kameraer bruger også flere linser til at holde forskellige lysfarver i fokus samtidigt. Da vores design er meget generelt, vi kan også bruge den til at skabe en enkelt flad linse, der fokuserer alle lysets farver, drastisk forenkling af kameraer yderligere."

For at fokusere lyset, traditionelle linser omdanner parallelle lysbølger til sfæriske bølger, der konvergerer til et brændpunkt. I et vigtigt gennembrud, forskerne indså, at bølger med andre former kunne producere en lignende effekt, kraftigt at øge antallet af mulige objektivdesigns.

"I skarp kontrast til, hvad der undervises i optiklærebøger, vores forskning har vist, at der er mere end én måde, hvorpå lystransmission påvirkes af en ideel linse – et koncept kendt som pupilfunktion, " sagde Menon. "Dette åbnede i det væsentlige uendelige muligheder for linsens pupilfunktion, og vi søgte gennem disse muligheder efter en, der opnåede en ekstrem dybde af fokus."

Eksperimentel bekræftelse

Efter at have valgt det bedste objektivdesign til dybdefokus, forskerne brugte nanofabrikationsteknikker til at lave en prototypelinse. Eksperimenter bekræftede, at den nye linse fungerede som forventet og opnåede en fokusdybde, der var flere størrelsesordener større end en tilsvarende konventionel linse.

Forskerne demonstrerede den nye linse ved hjælp af infrarødt lys og relativt lav numerisk blænde - et tal, der kendetegner rækkevidden af ​​vinkler, over hvilke linsen kan acceptere eller udsende lys. De planlægger at udvide objektivet til større numeriske blændeåbninger og bruge det med det fulde synlige lysspektrum. Arbejdet med at sikre, at linserne kan massefremstilles, er også nødvendigt, før de kan kommercialiseres.

"Denne forskning er et godt eksempel på, hvordan det at opgive traditionelle forestillinger kan muliggøre enheder, der tidligere blev anset for umulige, " sagde Menon. "Det tjener som en god påmindelse om at stille spørgsmålstegn ved diktater fra fortiden."