Voor fotografen en wetenschappers, lenzen zijn levensreddend. Ze reflecteren en breken licht, het mogelijk maken van de beeldvormingssystemen die ontdekking door de microscoop sturen en de geschiedenis bewaren door middel van camera's.

Maar de op glas gebaseerde lenzen van tegenwoordig zijn omvangrijk en bestand tegen miniaturisatie. Technologieën van de volgende generatie, zoals ultradunne camera's of kleine microscopen, vereisen lenzen gemaakt van een nieuwe reeks materialen.

In een paper gepubliceerd op 9 februari in wetenschappelijke vooruitgang , wetenschappers van de Universiteit van Washington hebben aangekondigd dat ze met succes twee verschillende beeldvormingsmethoden hebben gecombineerd - een type lens ontworpen voor interactie op nanoschaal met lichtgolven, samen met robuuste computationele verwerking - om afbeeldingen in kleur te maken.

De ultradunne lens van het team maakt deel uit van een klasse van geconstrueerde objecten die bekend staat als meta-oppervlakken. Metasurfaces zijn 2-D analogen van metamaterialen, die vervaardigde materialen zijn met fysische en chemische eigenschappen die normaal niet in de natuur voorkomen. Een op meta-oppervlak gebaseerde lens - of metalens - bestaat uit platte, microscopisch gevormde materiaaloppervlakken die zijn ontworpen om te interageren met lichtgolven. Daten, afbeeldingen gemaakt met metalenses leveren op zijn best duidelijke afbeeldingen op voor slechts kleine plakjes van het visuele spectrum. Maar de metalens van het UW-team - in combinatie met computationele filtering - levert kleurenafbeeldingen op met zeer lage niveaus van aberraties over het visuele spectrum.

"Onze aanpak combineert de beste aspecten van metalenses met computationele beeldvorming, waardoor we, Voor de eerste keer, om full-color afbeeldingen te produceren met een hoge efficiëntie, " zei senior auteur Arka Majumdar, een UW-assistent-professor natuurkunde en elektrotechniek.

In plaats van vervaardigd glas of siliconen, metalenses bestaan ​​uit herhaalde arrays van structuren op nanometerschaal, zoals kolommen of vinnen. Als het goed is ingedeeld op deze minuscule schalen, deze structuren kunnen een interactie aangaan met individuele lichtgolven met een precisie die traditionele lenzen niet kunnen. Omdat metalenses ook zo klein en dun zijn, ze nemen veel minder ruimte in beslag dan de omvangrijke lenzen van camera's en hogeresolutiemicroscopen. Metalenses worden vervaardigd volgens hetzelfde type halfgeleiderfabricageproces dat wordt gebruikt om computerchips te maken.

"Metalenses zijn potentieel waardevolle hulpmiddelen in optische beeldvorming, omdat ze kunnen worden ontworpen en gebouwd om goed te presteren voor een bepaalde golflengte van licht, " zei hoofdauteur Shane Colburn, een UW-promovendus in de elektrotechniek. "Maar dat was ook hun nadeel:elk type metalens werkt alleen het beste binnen een smal golflengtebereik."

In experimenten die afbeeldingen produceren met metalenses, het optimale golflengtebereik tot nu toe was erg smal:in het beste geval ongeveer 60 nanometer breed met een hoog rendement. Maar het visuele spectrum is 300 nanometer breed.

De metalenses van vandaag produceren doorgaans nauwkeurige afbeeldingen binnen hun smalle optimale bereik, zoals een geheel groene afbeelding of een geheel rode afbeelding. Voor scènes met kleuren buiten dat optimale bereik, de beelden lijken wazig, met een slechte resolutie en andere defecten die bekend staan ​​als 'chromatische aberraties'. Voor een roos in een blauwe vaas, een voor rood geoptimaliseerde metalens kan de rode bloembladen van de roos met weinig aberraties oppikken, maar de groene steel en blauwe vaas zouden onopgeloste vlekken zijn - met veel chromatische aberraties.

Majumdar en zijn team veronderstelden dat, als een enkele metalens een consistent type visuele aberratie zou kunnen produceren in een afbeelding over alle zichtbare golflengten, dan konden ze daarna de aberraties voor alle golflengten oplossen met behulp van computationele filteralgoritmen. Voor de roos in de blauwe vaas, dit type metalens zou een afbeelding van de rode roos vastleggen, blauwe vaas en groene steel allemaal met vergelijkbare soorten chromatische aberraties, die later kunnen worden aangepakt met behulp van computationele filtering.

Ze ontwierpen en bouwden een metalens waarvan het oppervlak was bedekt met kleine, nanometer brede kolommen van siliciumnitride. Deze kolommen waren klein genoeg om licht over het gehele visuele spectrum te buigen, die golflengten omvat van 400 tot 700 nanometer.

Kritisch, de onderzoekers ontwierpen de opstelling en grootte van de siliciumnitridekolommen in de metalens zodat deze een "spectraal invariante puntspreidingsfunctie" zou vertonen. Eigenlijk, deze functie zorgt ervoor dat - voor het hele visuele spectrum - het beeld aberraties zou bevatten die kunnen worden beschreven door hetzelfde type wiskundige formule. Aangezien deze formule hetzelfde zou zijn, ongeacht de golflengte van het licht, de onderzoekers zouden hetzelfde type computationele verwerking kunnen toepassen om de aberraties te "corrigeren".

Vervolgens bouwden ze een prototype metalens op basis van hun ontwerp en testten ze hoe goed de metalens presteerden in combinatie met computationele verwerking. Een standaardmaat voor beeldkwaliteit is "structurele gelijkenis" - een meetwaarde die beschrijft hoe goed twee afbeeldingen van dezelfde scène helderheid delen, structuur en contrast. Hoe hoger de chromatische aberraties in één beeld, hoe lager de structurele overeenkomst met de andere afbeelding. Het UW-team ontdekte dat wanneer ze conventionele metalens gebruikten, ze bereikten een structurele overeenkomst van 74,8 procent bij het vergelijken van rode en blauwe afbeeldingen van hetzelfde patroon; echter, bij het gebruik van hun nieuwe metalens-ontwerp en computationele verwerking, de structurele gelijkenis steeg tot 95,6 procent. Toch is de totale dikte van hun beeldvormingssysteem 200 micrometer, dat is ongeveer 2, 000 keer dunner dan de huidige mobiele camera's.

"Dit is een aanzienlijke verbetering in de prestaties van metalens voor full-color beeldvorming, met name voor het elimineren van chromatische aberraties, " zei co-auteur Alan Zhan, een UW-promovendus in de natuurkunde.

In aanvulling, in tegenstelling tot veel andere metasurface-gebaseerde beeldvormingssystemen, de benadering van het UW-team wordt niet beïnvloed door de polarisatietoestand van licht, wat verwijst naar de oriëntatie van het elektrische veld in de 3D-ruimte waarin lichtgolven reizen.

Het team zei dat de methode zou moeten dienen als een routekaart voor het maken van een metalens - en het ontwerpen van aanvullende rekenverwerkingsstappen - die licht effectiever kunnen vangen, evenals het contrast verscherpen en de resolutie verbeteren. Dat kan kleine, volgende generatie beeldvormingssystemen binnen handbereik.