Het produceren van de perfecte kleurenafbeeldingen die we nodig hebben en waar we van houden, vereist vaak meerdere, zware lenzen zodat elke kleur in precies hetzelfde vlak scherpstelt. Nu hebben ingenieurs van Penn State een nieuwe theorie ontwikkeld die het probleem oplost door gebruik te maken van een enkele dunne lens bestaande uit gradiëntindexmaterialen en meta-oppervlaklagen om het licht goed te richten.

"Als we hoogwaardige optische systemen willen, dan moeten we materiële dispersie overwinnen, " zei Sawyer D. Campbell, assistent-onderzoeksprofessor in de elektrotechniek. "Als we dat niet doen, we krijgen vage kleuren, wat de beeldkwaliteit aanzienlijk verslechtert."

Enkele apochromatische lenzen - die de drie kleuren rood goed scherpstellen, blauw en groen - die minder kromming hebben en dunner en lichter zijn, zouden de camera's van mobiele telefoons kunnen verbeteren en de productie van dunnere mobiele telefoons mogelijk maken. Ze konden ook lichter maken, betere bodycamera's, helm camera's, sluipschutters, warmtebeeldapparatuur en onbemande luchtvaartuigen of drones. In essentie, alles dat lenzen gebruikt om afbeeldingen te maken, kan eenvoudiger en lichter worden gemaakt.

"Meestal zijn er meerdere lenzen, maar dat verhoogt het gewicht, " zei Jogender Nagar, afgestudeerde student elektrotechniek. "Ons doel is om SWaP te verbeteren - de grootte en het gewicht verminderen en tegelijkertijd de prestaties verbeteren."

De onderzoekers dachten twee technologieën te combineren:die van de gradiëntindex (GRIN) lens, en meta-oppervlakken - ultradunne optische lagen met subgolflengtekenmerken die het golffront op een gewenste manier manipuleren. De onderzoekers rapporteren de resultaten van hun werk in het huidige nummer van optiek .

"Ons systeem gebruikt één lens, " zei Nagar. "We gebruiken de kromming van de lens, de verdeling van materialen in de lens, en een meta-oppervlak - een patroon dat op het oppervlak is geplaatst - om de lens dunner te maken, aansteker, maar nog steeds goed focussen."

De meeste lenzen gebruiken kromming om het brandpunt te regelen, maar er zijn drie afzonderlijke conventionele lenzen nodig om de drie afzonderlijke kleuren op één brandpunt te concentreren en een beeld van hoge kwaliteit te produceren. Door de materiaalsamenstelling in de lens ruimtelijk te variëren, één GRIN-lens kan perfect twee kleuren scherpstellen. Vervolgens, door een meta-oppervlak toe te voegen aan de GRIN-lens, één gelaagde lens kan alle drie de kleuren perfect scherpstellen en doet het werk van drie conventionele lenzen.

"De gradiënt in de lens kan axiaal zijn, variërend in de richting van de voortplanting van het licht, of optische as; of radiaal - naar buiten toe variërend van de optische as, " zei Douglas H. Werner, John L. en Genevieve H. McCain leerstoel hoogleraar elektrotechniek. "Of het kan complexer zijn."

De onderzoekers ontwikkelden een theoretisch model en simulatieraamwerk om deze lenzen te maken.

"We moesten een aantal geavanceerde tools gebruiken die speciaal in het laboratorium waren ontwikkeld, "zei Werner. "Hulpmiddelen voor het modelleren, simulatie en optimalisatie die we hebben gemaakt om zo'n uitdagend ontwerpprobleem op te lossen."

Het theoretische model specificeert de juiste oppervlaktekromming en gradiënt in de GRIN-lens en de juiste patronen voor het meta-oppervlak om te voldoen aan de vereisten van perfecte focussering van alle drie de kleuren. Het model optimaliseert zowel de lens als het meta-oppervlak om samen te werken.

"De theorie is erg algemeen en bestrijkt een breed scala aan omstandigheden, "zei Werner. "De fabricage zal in eerste instantie de uitdaging zijn. We hopen dat de ontwikkeling van de theorie de fabricage zal sturen, waardoor het mogelijk is om dergelijke lenzen tegen lage kosten en een hoog volume te produceren."