System von flachen optischen Linsen, die leicht in Massenproduktion hergestellt und mit Bildsensoren integriert werden können

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Anonim

Die Ingenieure von Caltech haben ein System aus flachen optischen Linsen entwickelt, das leicht in Massenproduktion hergestellt und mit Bildsensoren integriert werden kann. Dies ebnet den Weg für billigere und leichtere Kameras in allen Bereichen von Mobiltelefonen bis hin zu medizinischen Geräten.

Die Technologie beruht auf dem Stapeln von zwei Metasurfaces. Metasurfaces sind Materialbahnen, deren elektromagnetische Eigenschaften bei Bedarf verändert werden können. In diesem Fall sind die Metasurfaces mit Siliziumzylindern übersät, die kleiner als ein Mikrometer sind, die die Art verändern, wie Licht durch sie hindurchtritt.

"Die Art und Weise, wie wir Linsen herstellen, hat sich seit van Leeuwenhoeks Zeiten nicht wesentlich verändert. Bis jetzt", sagt Caltechs Andrei Faraon (BS '04) und bezieht sich dabei auf Antonie van Leeuwenhoek, einen holländischen Wissenschaftler und Linsenmacher, der einige der erste Mikroskope.

Faraon, Assistenzprofessor für Angewandte Physik und Materialwissenschaften in Caltechs Abteilung für Ingenieurwesen und angewandte Wissenschaften, arbeitete mit Caltechs Postdoc-Forscher Amir Arbabi und Seunghoon Han von Samsung Electronics zusammen, um das Linsensystem zu entwickeln. Ihre Arbeit wurde am 28. November in Nature Communications veröffentlicht.

Eine klassische Linse aus Kunststoff oder Glas hat eine gekrümmte Form, die den Pfad des einfallenden Lichts zu einem einzigen Brennpunkt hin verbiegt. Dies liegt daran, dass Licht durch das dünnere Glas an den Kanten der Linse schneller als durch das dickere Glas in der Mitte läuft.

Die Metasurfaces erfüllen die gleiche Aufgabe mit Siliziumnanoposts, nur 600 Nanometer großen Zylindern mit unterschiedlichen Durchmessern in den Hunderten von Nanometern. (Für die Skalierung ist eine menschliche Haarsträhne 100.000 Nanometer breit.) Jede Metasurface ist mit Dutzenden von Millionen dieser Pfosten übersät. Licht bewegt sich schneller durch Nanostäbe mit kleineren Durchmessern als durch Nanostäbe mit größeren Durchmessern, so dass die Ingenieure die Lichtwege, die durch die Metasurface verlaufen, fein einstellen können, um flache Linsen zu erzeugen.

Frühe Experimente mit Nanopost-Metasurfaces ergaben Linsen, deren Bilder an den Rändern verschwommen waren - wie ein Vergrößerungsglas. Durch die Kopplung von zwei Metasurfaces mit jeder Nanostäbchen-Seite konnten die Ingenieure ein Linsensystem erstellen, das Licht aus einem 70-Grad-Winkelbereich erfassen und fokussieren kann, wodurch die Technologie erstmals in Mikroskop und Kamera eingesetzt werden kann Bildverarbeitungsanwendungen.

"Metasurfaces wie diese können leicht in Massenproduktion hergestellt werden, ähnlich wie Computerchips", sagt Arbabi. "Dies bedeutet, dass dies eine kostengünstige und leicht skalierbare Möglichkeit ist, winzige Linsen mit nur wenigen Millimetern Durchmesser zu schaffen."

Darüber hinaus können die Linsen nahtlos mit CMOS-Bildsensoren (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) integriert werden, da sie mit den gleichen Materialien und Fertigungstechniken hergestellt werden. CMOS-Bildsensoren sind die winzigen Chips, die die digitale Fotografie unterstützen, und wurden bei JPL entwickelt.

Flache, leichte und billige Objektive sind für verschiedene Verbraucherelektronik mit Kameras oder medizinischen Geräten wie Endoskopen gefragt, sagt Faraon.

Als nächstes plant das Team, diese Linsen in miniaturisierte Kameras und Mikroskope zu integrieren und ihre Funktionalität und Betriebsbandbreite zu erweitern.

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