Плоские линзы из наноструктур преобразуют крошечные камеры и проекторы

Металинзы наконец-то переходят в руки потребителей

На этом изображении металинзы, полученном с помощью сканирующего электронного микроскопа, показаны различия в размерах и расположении наностолбиков, используемых для управления светом.

Внутри современных компьютеров, телефонов и других мобильных устройств все больше и больше датчиков, процессоров и другой электроники борются за место. Большую часть этой ценной недвижимости занимают камеры — практически каждому гаджету нужна камера, две, три или больше. А самая занимающая много места часть камеры — объектив.

Линзы наших мобильных устройств обычно собирают и направляют падающий свет путем преломления, используя кривую из прозрачного материала, обычно пластика, для изгиба лучей. Таким образом, эти линзы не могут сжиматься намного больше, чем они уже имеют: чтобы сделать камеру маленькой, объектив должен иметь короткое фокусное расстояние; но чем короче фокусное расстояние, тем больше кривизна и, следовательно, толщина в центре. Эти сильно изогнутые линзы также страдают от всевозможных аберраций, поэтому производители модулей камеры используют несколько линз для компенсации, увеличивая размер камеры.

С современными объективами размер камеры и качество изображения тянутся в разные стороны. Единственный способ сделать линзы меньше и лучше — заменить преломляющие линзы другой технологией.

Такая технология существует. Это металинза, устройство, разработанное в Гарварде и коммерциализированное в Металенце, где я работаю инженером по применению. Мы создаем эти устройства, используя традиционные методы обработки полупроводников для создания наноструктур на плоской поверхности. Эти наноструктуры используют явление, называемое оптикой метаповерхностей, для направления и фокусировки света. Эти линзы могут быть чрезвычайно тонкими — толщиной несколько сотен микрометров, что примерно в два раза толще человеческого волоса. И мы можем объединить функциональность нескольких изогнутых линз в одном из наших устройств, что еще больше решит проблему нехватки места и откроет возможности для новых применений камер в мобильных устройствах.

Прежде чем я расскажу вам, как развивалась металинза и как она работает, рассмотрим несколько предыдущих попыток заменить традиционную изогнутую линзу.

Концептуально любое устройство, манипулирующее светом, делает это, изменяя три его фундаментальных свойства: фазу, поляризацию и интенсивность. Идея о том, что любую волну или волновое поле можно разложить до этих свойств, была предложена Христианом Гюйгенсом в 1678 году и является руководящим принципом всей оптики.

В этой единственной металинзе [между пинцетами] диаметр столбиков составляет менее 500 нанометров. Черный квадрат в левом нижнем углу увеличения представляет собой 2,5 микрометра. Металенц

В начале 18 века самые мощные экономики мира придавали большое значение строительству маяков с более крупными и мощными проекционными линзами, чтобы защитить свои судоходные интересы. Однако по мере того, как эти проекционные линзы становились больше, увеличивался и их вес. В результате физический размер линзы, которую можно было поднять на вершину маяка и поддерживать на конструкции, накладывал ограничения на мощность луча, который мог излучать маяк.

Французский физик Огюстен-Жан Френель понял, что если разрезать линзу на грани, можно удалить большую часть центральной толщины линзы, сохранив при этом ту же оптическую силу. Линза Френеля представляет собой значительное усовершенствование оптических технологий и в настоящее время используется во множестве применений, в том числе в автомобильных фарах и стоп-сигналах, диапроекторах и — до сих пор — в проекционных линзах для маяков. Однако линза Френеля имеет ограничения. Во-первых, плоские края граней становятся источниками рассеянного света. С другой стороны, граненые поверхности труднее изготовить и точно отполировать, чем непрерывно изогнутые. Объективы для фотоаппаратов не подходят из-за требований к точности поверхности, необходимых для получения хороших изображений.

Другой подход, который сейчас широко используется в 3D-зондировании и машинном зрении, уходит корнями в один из самых известных экспериментов современной физики: демонстрацию дифракции Томасом Юнгом в 1802 году. Этот эксперимент показал, что свет ведет себя как волна, и когда волны встречаются, они могут усиливать или гасить друг друга в зависимости от того, как далеко прошли волны. Так называемый дифракционный оптический элемент (ДОЭ), основанный на этом явлении, использует волновые свойства света для создания интерференционной картины, то есть чередующихся областей темного и светлого света в виде массива точек, сетки или любого другого объекта. количество фигур. Сегодня многие мобильные устройства используют DOE для преобразования лазерного луча в «структурированный свет». Этот световой узор проецируется, фиксируется датчиком изображения, а затем используется алгоритмами для создания трехмерной карты сцены. Эти крошечные ДОЭ прекрасно вписываются в небольшие гаджеты, но их нельзя использовать для создания детальных изображений. Итак, опять же, возможности применения ограничены.