Μικροσκοπικοί φακοί, πιο λεπτοί από μια τρίχα, αλλάζουν τις κάμερες σε smartphones και drones
Μια νέα καινοτομία υπόσχεται να φέρει επανάσταση στον τρόπο που βλέπουμε μέσα από τις κάμερες των smartphones, των drones και ακόμη και των δορυφόρων. Ερευνητές ανέπτυξαν έναν νέο τύπο φακού, τον πολυστρωματικό metalens, που συνδυάζει προηγμένα υλικά και αλγοριθμικό σχεδιασμό για να υπερβεί περιορισμούς δεκαετιών στην οπτική τεχνολογία.
Οι metalenses, φακοί εξαιρετικά λεπτοί (πολύ πιο λεπτοί από μια ανθρώπινη τρίχα) αποτελούν ήδη αντικείμενο έντονου ενδιαφέροντος. Σε αντίθεση με τους συμβατικούς φακούς, οι οποίοι έχουν πάχος και βάρος, οι metalenses αξιοποιούν μεταϋλικά, δηλαδή νανοδομές σχεδιασμένες με ακρίβεια ώστε να κατευθύνουν το φως με πρωτόγνωρο τρόπο. Μέχρι σήμερα, ωστόσο, η χρήση τους είχε περιορισμούς, καθώς δυσκολεύονταν να εστιάσουν ταυτόχρονα σε πολλές διαφορετικές αποχρώσεις του φωτός.
Η ομάδα ερευνητών από το Australian National University και το ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS), σε συνεργασία με το Friedrich Schiller University Jena στη Γερμανία, βρήκε τη λύση: αντί για μία μόνο στρώση μεταϋλικών, πρότεινε τη χρήση πολλών. Ο Joshua Jordaan, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Optics Express, εξηγεί πως η νέα προσέγγιση ξεπερνά τα φυσικά όρια που είχαν εντοπιστεί σε προηγούμενες απόπειρες.
Σε ένα μόνο στρώμα metasurface, η καθυστέρηση που μπορούμε να επιτύχουμε στο φως έχει αυστηρά όρια. Αυτό περιορίζει τη διάμετρο και το εύρος λειτουργίας του φακού. Με το πολυστρωματικό σχέδιο καταφέραμε να αποφύγουμε αυτούς τους περιορισμούς.
Η πρόοδος δεν προήλθε μόνο από την προσθήκη επιπλέον στρωμάτων. Η ομάδα χρησιμοποίησε αλγοριθμικό σχεδιασμό βασισμένο σε βελτιστοποίηση σχημάτων, δίνοντας στο λογισμικό μεγάλο αριθμό παραμέτρων για να αναζητήσει τις καλύτερες λύσεις. Το αποτέλεσμα ήταν μια «βιβλιοθήκη» από περίπλοκες νανοδομές που θυμίζουν τριφύλλια, προπέλες ή στρογγυλεμένα τετράγωνα.
Οι μικροσκοπικές αυτές δομές, με ύψος περίπου 300 νανόμετρα και πλάτος γύρω στα 1000 νανόμετρα, καλύπτουν ολόκληρο το φάσμα μετατοπίσεων φάσης που απαιτείται για τον έλεγχο του φωτός. Έτσι, οι ερευνητές μπορούσαν να δημιουργήσουν χάρτες φάσης και να εστιάσουν το φως με ακρίβεια, ξεκινώντας από απλά σχέδια που θυμίζουν τον δακτύλιο ενός παραδοσιακού φακού.
Θεωρητικά, μπορούμε να εστιάζουμε διαφορετικά μήκη κύματος σε διαφορετικές τοποθεσίες, δημιουργώντας κάτι σαν δρομολογητή χρωμάτων.
Ένα ακόμη βασικό πλεονέκτημα της νέας προσέγγισης είναι η ευκολία κατασκευής. Επειδή κάθε στρώση μπορεί να παραχθεί ξεχωριστά και στη συνέχεια να συναρμολογηθεί, η διαδικασία γίνεται πιο προσιτή. Επιπλέον, ο σχεδιασμός είναι ανεξάρτητος από την πόλωση του φωτός, πράγμα που σημαίνει ότι λειτουργεί αποτελεσματικά σε περισσότερες συνθήκες. Το γεγονός ότι βασίζεται σε ήδη ώριμες τεχνολογίες νανοκατασκευής από τη βιομηχανία ημιαγωγών ανοίγει τον δρόμο για μαζική παραγωγή.
Αν και η μέθοδος περιορίζεται σε περίπου πέντε διαφορετικά μήκη κύματος, το όφελος παραμένει μεγάλο. «Χρειαζόμαστε δομές αρκετά μεγάλες για να είναι ανθεκτικές στο μεγαλύτερο μήκος κύματος, χωρίς όμως να δημιουργούν παρεμβολές στα μικρότερα», εξηγεί ο Jordaan. Παρά αυτούς τους περιορισμούς, η δυνατότητα συλλογής μεγάλου όγκου φωτός από τόσο λεπτούς και ελαφριούς φακούς ανοίγει νέες προοπτικές.
Οι εφαρμογές της τεχνολογίας είναι πολλές. Οι νέοι φακοί θα μπορούσαν να ενσωματωθούν σε κάμερες των drones, όπου το βάρος και ο χώρος είναι κρίσιμοι παράγοντες, αλλά και σε δορυφόρους παρατήρησης της Γης, που απαιτούν υψηλή ανάλυση με όσο το δυνατόν μικρότερη κατανάλωση ενέργειας. Ακόμη και οι κάμερες των κινητών τηλεφώνων θα μπορούσαν να αποκτήσουν καλύτερη ποιότητα εικόνας χωρίς την ανάγκη για ογκώδεις φακούς.
Οι metalenses, με το πάχος τους να αντιστοιχεί σε απειροελάχιστο κλάσμα μιας τρίχας, επιτρέπουν νέες μορφές φορητής απεικόνισης που πριν φάνταζαν αδύνατες. Όπως τονίζει ο Jordaan, «προσπαθήσαμε να σχεδιάσουμε φακούς όσο το δυνατόν μικρότερους και ελαφρύτερους, κάτι που τους καθιστά ιδανικούς για φορητά συστήματα απεικόνισης».
[via]
