Sig farvel til din kamerabump:Miniaturiseret optik gennem ny modstykke til objektiv

Kan du forestille dig en dag at bruge et teleskop så tyndt som et ark papir, eller et meget mindre og lettere højtydende kamera? Eller ikke længere have det kamera bump bag din smartphone?

I et papir udgivet i Naturkommunikation , forskere fra University of Ottawa har foreslået et nyt optisk element, der kunne gøre disse ideer til virkelighed ved dramatisk at miniaturisere optiske enheder, muligvis påvirker mange af applikationerne i vores liv.

For at lære mere om dette projekt, vi talte med hovedforfatter Dr. Orad Reshef, en senior postdoktor i Robert Boyd Group, og forskningsleder Dr. Jeff Lundeen, hvem er Canada Research Chair i Quantum Photonics, Lektor i Institut for Fysik ved University of Ottawa, og leder af Lundeen Lab.

Kan du beskrive det nye optiske element, dit team udviklede, rumpladen?

Orad Reshef:Lys "spredes naturligt", når det rejser, og hver optisk enhed, vi kender til, er afhængig af denne spredning; vi ville ikke vide, hvordan man designer kameraer uden det. For eksempel, i hvert teleskop, der er et stort mellemrum mellem okularet og objektivet for at give lys plads til at sprede sig.

En rumplade simulerer den samme spredning, som lys ville opleve at rejse en stor afstand i en lille enhed. At tænde, en rumplade ligner mere plads, end den fylder. På en måde, rumpladen er et modstykke til linsen, gør ting, objektivet ikke kan gøre for at reducere hele billeddannelsessystemer.

Vi introducerede ideen om en rumplade i vores papir, eksperimentelt demonstrere det og vise det er kompatibelt med bredbåndslys i det synlige spektrum, som vi bruger til at se.

Jeff Lundeen:Vi overvejede, hvad der ville ske, hvis du manipulerede lys baseret på vinklen frem for placeringen af ​​en lysstråle. Linser virker via strålepositionen. Vinkel er et helt nyt domæne, og ingen havde vist, at det kunne bruges til at lave noget særligt nyttigt. Vi identificerede en nyttig applikation, komprimeringsplads. Og så viste vi, at vi faktisk kunne designe og eksperimentelt demonstrere plader, der gør præcis det.

Orad Reshef:Dette er spændende, fordi denne enhed lader os krympe alle mulige meget store enheder, som vi troede var umulige at miniaturisere inden for optik. For at designe det, vi er nødt til at komme med et nyt sæt regler, der er uforeneligt med det, der bruges i objektivdesign. Ingen ved hvad de er, det er ligesom det vilde vesten.

Hvordan kom du på denne idé?

Jeff Lundeen:Orad Reshef er ekspert i at bruge nanoteknologi til at manipulere en stråle baseret på dens position (f.eks. Meta-linser eller, mere generelt, meta-overflader). Vi diskuterede tilfældigt begrænsningerne ved at manipulere lys med disse meta-overflader, og jeg sagde, at det ville være fedt i stedet at manipulere lys baseret på dets vinkel.

Dr. Reshef var umiddelbart overbevist om, at han kunne designe og fremstille noget, der kunne gøre det, og jeg konkluderede efterfølgende, at det letteste mål ville være at erstatte den plads, der var nødvendig til spredning (dvs. formering).

I løbet af de næste par måneder, i diskussioner med Dr. Boyd og Dr. Reshef, vi indså langsomt, hvor fantastisk og nyttig sådan en enhed ville være. Både Dr. Reshef og jeg fandt på levedygtige og helt forskellige designs, som viste, at der var mange måder at oprette en sådan enhed på. Vi studerede tre i vores papir, men der kommer flere.

Hvordan kunne denne teknologi bruges? Hvad er rumpladens anvendelser i vores daglige liv?

Orad Reshef:En rumplade kan bruges til at miniaturisere mange optiske systemer, det være sig et display eller en sensor. For eksempel, en avanceret rumplade kan muliggøre papirtynde teleskoper eller kameraer; det kan bruges til at fjerne kamerabumpen på bagsiden af ​​din smartphone.

Jeff Lundeen:Folk slæber rundt på store kameraer med enorme teleobjektiver. Hvis vi kan forbedre rumpladens ydeevne tilstrækkeligt, Jeg forestiller mig muligheden for at bygge mindre, lettere kameraer med meget bedre ydelse. I særdeleshed, rumpladen kombineret med metalenses ville give os mulighed for at lave hele bagsiden af, sige, en iPhone Max, ind i et fladt og tyndt kamera. Det ville have hele 14 gange bedre opløsning og lavt lysydelse end de store og tunge kameraer.

Tynde og små kameraer ville være nyttige i en lang række applikationer, herunder i sundhedsvæsenet, hvor kamerapiller eller endoskoper kunne se inde i arterier eller fordøjelsessystemet.

Hvad er de næste trin?

Orad Reshef:Vi arbejder hårdt på at udvikle den næste generation af denne teknologi. Vi vil prøve at øge kompressionsfaktoren og forbedre den samlede ydelse. Vi har allerede nogle designs til at øge kompressionsfaktoren fra fem til over 100 gange, og for at øge den samlede transmission. For at fortsætte med at gøre dette, vi skal finde på et helt nyt designparadigme.

Nogle sidste tanker?

Orad Reshef:Det er overraskende, at optiske elementer som linser har eksisteret i et årtusinde, og deres designregler er blevet godt forstået i over 400 år, og alligevel opdager vi stadig sådanne grundlæggende nye optiske elementer til billeddannelse.

Artiklen En optik til at erstatte rummet og dets anvendelse mod ultratynde billeddannelsessystemer er offentliggjort i Naturkommunikation .