Harvard’s Flat-Surface Metalens elimineert chromatische aberratie en zorgt voor een revolutie in de virtuele realiteit

• Harvard-onderzoekers hebben metalen ontwikkeld die alle zichtbare lichtspectra in hoge resolutie op één bepaald punt kunnen focussen.
• Het maakt gebruik van titaniumdioxide-nanofinnen die alle golflengten van het licht gelijkelijk focussen, waardoor chromatische aberratie wordt geëlimineerd.
• Metalens opent een nieuwe reeks mogelijkheden, waaronder toepassingen in lithografie, microscopie, endoscopie, virtuele en gemengde realiteit.

Een metalens is een lens met een plat oppervlak die nanostructuren gebruikt om licht te focusseren. Het heeft alle potentie om de bestaande dikke, gebogen lens te vervangen. Het bleef echter beperkt in het lichtspectrum dat het nauwkeurig kan scherpstellen.

Onderzoekers van de Harvard John A.Paulson School of Engineering and Applied Sciences hebben een nieuwe metalen gecreëerd die in staat is om alle zichtbare lichtspectra in hoge resolutie op één bepaalde plek te focussen. Tot nu toe was dit alleen mogelijk door twee of meer traditionele lenzen op elkaar te stapelen.

Dit heeft onderzoekers een stap dichter gebracht bij het integreren van dunne lenzen in zowel gewone als geavanceerde optische apparaten, waaronder camera's, Augmented en Virtual Reality-apparaten. Laten we eens in detail bekijken hoe Harvard-onderzoekers deze mijlpaal hebben weten te bereiken.

hindernissen

Het is erg moeilijk om het hele zichtbare spectrum van licht (inclusief de witte kleur) op één punt te focussen, vooral omdat verschillende golflengten zich met verschillende snelheden door materialen verplaatsen. Blauw licht zal bijvoorbeeld langzamer gaan dan rood, dus deze twee kleuren zullen op verschillende tijdstippen op een bepaald punt aankomen, waardoor de brandpunten anders worden en het beeld wordt vervormd. Deze vervorming wordt chromatische aberraties genoemd.

Om deze aberraties aan te passen, gebruiken alle optische apparaten twee of meer gebogen lenzen met verschillende diktes, waardoor het instrument groter wordt.

Metalenses en Design

Metalenses hebben verschillende voordelen ten opzichte van conventionele lenzen:ze zijn eenvoudig te vervaardigen, dun en kosteneffectief. Het onderzoeksteam heeft deze voordelen over het gehele zichtbare spectrum van licht benut.

De nieuwe metalens maken gebruik van titaniumdioxide-nanofinnen die alle golflengten van het licht gelijkelijk focussen, waardoor chromatische aberratie wordt geëlimineerd. Om dit te doen, hebben onderzoekers enkele ideeën uit eerder onderzoek gebruikt die aantonen dat verschillende golflengten op een bepaald punt kunnen worden gefocust door de breedte, hoogte, afstand en vorm van de nanovinnen aan te passen.

Elektronenmicroscoop met zijaanzicht van metalen, schaalbalk – 200 nm | Capasso Lab/Havard SEAS

In het nieuwe ontwerp regelen gepaarde nanovinnen tegelijkertijd de snelheid van verschillende golflengten en de brekingsindex van het oppervlak van de metalens. Dit geeft variabele tijdsvertragingen aan golflengten die door verschillende vinnen gaan, op een manier dat alle lichten op hetzelfde moment in het brandpunt aankomen.

De lichtsnelheid in het nanogestructureerde materiaal kan worden afgestemd door twee nanovinnen samen te voegen tot één element. Het vermindert de dikte en de ontwerpcomplexiteit aanzienlijk in vergelijking met achromatische lenzen.

Concreet heeft het team diffractie-gelimiteerde achromatische focussering en beeldvorming van 470 tot 760 nanometer aangetoond. De nieuwe metalens bevatten slechts één laag nanostructuren met een dikte in de orde van de golflengte, en er is geen sprake van ruimtelijke multiplexing of cascadering.

Hetzelfde ontwerpprincipe zou kunnen worden toegepast op andere gebieden van het elektromagnetische spectrum. Het realiseren van achromatische metalenses met grotere diameters en grotere numerieke openingen vereist een breder scala aan groepsvertragingen, ondersteund door meerdere combinaties van nanovinnen met verschillende afmetingen. Dit zou gerealiseerd kunnen worden door verschillende verspreidingstechnieken of door simpelweg de hoogte van de nanovinnen te vergroten.

Platte metalen | Afbeelding tegoed:Jared Sisler/Harvard SEAS

In dit onderzoek zijn nanostructuren van titaniumdioxide aangetoond met een hoogte van ongeveer 4,5 micrometer, wat overeenkomt met een groepsvertraging van ongeveer 37 femtoseconden (10−15 seconden).

Referentie:Natuur Nanotechnologie | doi:10.1038/s41565-017-0034-6 | Harvard ZEE

Cascaderende lagen van metalenses zouden de groepsvertraging verder kunnen vergroten, wat een extra mate van vrijheid introduceert om monochromatische aberraties binnen een groot gezichtsveld te corrigeren. Once kan ook een metalens die als aberratiecorrector fungeert, samenvoegen met een refractieve sferische lens.

Het ziet er veelbelovend uit omdat je tegelijkertijd chromatische en monochromatische aberraties van de sferische lens kunt corrigeren, terwijl je gebruik kunt maken van de voordelen van een grotere lensopening en een kleine verschuiving van de chromatische brandpuntsafstand.

Wat is het volgende?

Harvard heeft de technologie al in licentie gegeven aan een startup om deze op commercieel niveau te ontwikkelen, en heeft het intellectuele eigendom van het project beschermd.

Lees:Ingenieurs stoppen het brein van een worm in een kleine robot | En het werkte 

Onderzoek is er nu op gericht om de diameter van de lens te vergroten tot 1 centimeter, wat een nieuw scala aan mogelijkheden zou kunnen openen, waaronder toepassingen in lithografie, microscopie, endoscopie, virtuele en gemengde realiteit.