Ingenieurs van Caltech hebben een systeem van platte optische lenzen ontwikkeld die gemakkelijk in massa kunnen worden geproduceerd en geïntegreerd met beeldsensoren, de weg vrijmaken voor goedkopere en lichtere camera's in alles, van mobiele telefoons tot medische apparaten.

De technologie is gebaseerd op het stapelen van twee meta-oppervlakken. Meta-oppervlakken zijn platen van materiaal waarvan de elektromagnetische eigenschappen op verzoek kunnen worden gewijzigd. In dit geval, de meta-oppervlakken zijn bezaaid met siliciumcilinders die kleiner zijn dan een micron en die de manier veranderen waarop licht er doorheen gaat.

"De manier waarop we lenzen maken is niet veel veranderd sinds de tijd van van Leeuwenhoek. Tot nu toe, " zegt Andrei Faraon van Caltech (BS '04), verwijzend naar Antonie van Leeuwenhoek, een Nederlandse wetenschapper en lensmaker die enkele van de eerste microscopen maakte.

Farao, assistent-professor toegepaste natuurkunde en materiaalkunde in de afdeling Engineering and Applied Science van Caltech, werkte samen met Caltech postdoctoraal onderzoeker Amir Arbabi en Seunghoon Han van Samsung Electronics om het lenssysteem te ontwikkelen. Hun werk werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 28 nov.

Een klassieke lens gemaakt van plastic of glas heeft een gebogen vorm die het pad van binnenkomend licht naar een enkel brandpunt buigt. Dit komt omdat licht sneller door het dunnere glas aan de randen van de lens gaat dan door het dikkere glas in het midden.

De meta-oppervlakken volbrengen dezelfde taak met behulp van silicium nanoposten, cilinders van slechts 600 nanometer hoog en met verschillende diameters van honderden nanometers. (Voor schaal, een streng mensenhaar is 100, 000 nanometer breed.) Elk meta-oppervlak is bezaaid met tientallen miljoenen van deze paaltjes. Licht reist sneller door nanoposten met kleinere diameters dan door nanoposten met grotere diameters, dus door de breedte van de nanoposten te regelen, kunnen de ingenieurs het pad van het licht dat door het meta-oppervlak gaat, nauwkeurig aanpassen om platte lenzen te creëren.

Vroege experimenten met nanopost-meta-oppervlakken leverden lenzen op waarvan de afbeeldingen aan de randen wazig waren - als een vergrootglas. Echter, door twee meta-oppervlakken aan elkaar te koppelen, elke nanopost-side-out, de ingenieurs waren in staat om een ​​lenssysteem te creëren dat licht kan vastleggen en focussen vanuit een hoekbereik van 70 graden, waardoor de technologie voor het eerst bruikbaar is in microscoop- en camerabeeldvormingstoepassingen.

"Meta-oppervlakken zoals deze kunnen gemakkelijk in massa worden geproduceerd, zoals computerchips zijn, "Zegt Arbabi. "Dat betekent dat dit een goedkope en gemakkelijk schaalbare manier zou kunnen zijn om kleine lenzen te maken met een diameter van slechts enkele millimeters."

In aanvulling, de lenzen kunnen naadloos worden geïntegreerd met CMOS-beeldsensoren (complementary metal-oxide semiconductor) omdat ze zijn gemaakt met dezelfde materialen en fabricagetechnieken. CMOS-beeldsensoren zijn de kleine chips die ten grondslag liggen aan digitale fotografie, en werden ontwikkeld bij JPL.

Vlak, lichtgewicht, en goedkope lenzen zijn in trek voor diverse consumentenelektronica uitgerust met camera's, of medische hulpmiddelen zoals endoscopen, zegt Farao.

Volgende, het team is van plan deze lenzen te integreren in geminiaturiseerde camera's en microscopen, en hun functionaliteit en werkingsbandbreedte uitbreiden.