Met behulp van een enkele lens van ongeveer een duizendste van een inch dik, onderzoekers hebben een camera gemaakt die niet hoeft te worden scherpgesteld. De technologie biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele camera's zoals die in de meeste smartphones, die meerdere lenzen nodig hebben om hoogwaardige, in-focus beelden.

"Onze platte lenzen kunnen het gewicht drastisch verminderen, complexiteit en kosten van camera's en andere beeldvormingssystemen, terwijl ze hun functionaliteit vergroten, "zei onderzoeksteamleider Rajesh Menon van de Universiteit van Utah. "Zulke optica zou dunnere smartphonecamera's mogelijk maken, verbeterde en kleinere camera's voor biomedische beeldvorming zoals endoscopie, en meer compactcamera's voor auto's."

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society (OSA) voor onderzoek met hoge impact, Menon en collega's beschrijven hun nieuwe platte lens en laten zien dat deze de focus kan behouden voor objecten die ongeveer 6 meter van elkaar verwijderd zijn. Platte lenzen gebruiken nanostructuren met een patroon op een plat oppervlak in plaats van volumineus glas of plastic om de belangrijke optische eigenschappen te bereiken die de manier waarop licht reist bepalen.

"Deze nieuwe lens zou veel interessante toepassingen buiten de fotografie kunnen hebben, zoals het creëren van zeer efficiënte verlichting voor LIDAR die van cruciaal belang is voor veel autonome systemen, inclusief zelfrijdende auto's, ' zei Menon.

De onderzoekers zeggen dat de ontwerpaanpak die ze gebruikten kan worden uitgebreid om optische componenten te maken met een willekeurig aantal eigenschappen zoals extreme bandbreedte, gemakkelijker produceerbaarheid of lagere kosten.

Vraagtekens bij het leerboek

conventionele camera's, of het nu wordt gebruikt in smartphones of voor microscopie, vereisen scherpstelling om ervoor te zorgen dat de details van een object scherp zijn. Als er meerdere objecten op verschillende afstanden van de camera zijn, elk object moet afzonderlijk worden scherpgesteld.

"De nieuwe lens elimineert de noodzaak van scherpstellen en stelt elke camera in staat om alle objecten tegelijkertijd scherp te houden, ", zegt Menon. "Conventionele camera's gebruiken ook meerdere lenzen om verschillende kleuren licht tegelijkertijd scherp te houden. Aangezien ons ontwerp zeer algemeen is, we kunnen het ook gebruiken om een ​​enkele platte lens te maken die alle kleuren licht focust, camera's nog verder drastisch vereenvoudigen."

Om het licht te focussen, traditionele lenzen transformeren parallelle lichtgolven in sferische golven die samenkomen in een brandpunt. Bij een belangrijke doorbraak de onderzoekers realiseerden zich dat golven met andere vormen een soortgelijk effect konden hebben, het aantal mogelijke lensontwerpen enorm vergroot.

"In schril contrast met wat in optica-leerboeken wordt onderwezen, ons onderzoek heeft aangetoond dat er meer dan één manier is waarop lichttransmissie wordt beïnvloed door een ideale lens - een concept dat bekend staat als pupilfunctie, "zei Menon. "Dit opende in wezen oneindige mogelijkheden voor de lens-pupilfunctie, en we hebben deze mogelijkheden doorzocht voor een die een extreme scherptediepte bereikte."

Experimentele bevestiging

Na het kiezen van het beste lensontwerp voor scherptediepte, de onderzoekers gebruikten nanofabricagetechnieken om een ​​prototypelens te maken. Experimenten bevestigden dat de nieuwe lens presteerde zoals verwacht en een scherptediepte bereikte die enkele orden van grootte groter was dan die van een gelijkwaardige conventionele lens.

De onderzoekers demonstreerden de nieuwe lens met infrarood licht en een relatief laag numeriek diafragma - een getal dat het bereik van hoeken kenmerkt waarover de lens licht kan accepteren of uitstralen. Ze zijn van plan de lens uit te breiden naar grotere numerieke openingen en deze te gebruiken met het volledige zichtbare lichtspectrum. Er moet ook werk worden gemaakt om ervoor te zorgen dat de lenzen in massa kunnen worden vervaardigd voordat ze op de markt kunnen worden gebracht.

"Dit onderzoek is een goed voorbeeld van hoe het verlaten van traditionele noties apparaten in staat kan stellen die voorheen als onmogelijk werden beschouwd, "zei Menon. "Het dient als een goede herinnering aan het ter discussie stellen van dictaten uit het verleden."