Ingenjörer på Caltech har utvecklat ett system med platta optiska linser som enkelt kan massproduceras och integreras med bildsensorer, banar väg för billigare och lättare kameror i allt från mobiltelefoner till medicintekniska produkter.

Tekniken bygger på att stapla två metasytor. Metasytor är materialskivor vars elektromagnetiska egenskaper kan ändras vid behov. I detta fall, metasytorna är prickade med kiselcylindrar mindre än en mikron tvärs över som förändrar hur ljus passerar genom dem.

"Sättet vi tillverkar linser har inte förändrats mycket sedan van Leeuwenhoek tid. Tills nu har "säger Caltechs Andrei Faraon (BS '04), med hänvisning till Antonie van Leeuwenhoek, en nederländsk forskare och linsmakare som skapade några av de första mikroskopen.

Faraon, biträdande professor i tillämpad fysik och materialvetenskap i Caltechs avdelning för teknik och tillämpad vetenskap, samarbetade med Caltech postdoktoralforskare Amir Arbabi och Seunghoon Han från Samsung Electronics för att utveckla linssystemet. Deras arbete publicerades i Naturkommunikation den 28 november.

En klassisk lins av plast eller glas har en böjd form som böjer det inkommande ljusets väg mot en enda fokuspunkt. Detta beror på att ljuset rör sig snabbare genom det tunnare glaset vid linsens kanter än genom det tjockare glaset i mitten.

Metasytorna utför samma uppgift med kiselnanoposter, cylindrar bara 600 nanometer höga och med varierande diametrar i hundratals nanometer. (För skala, en hårstrå är 100, 000 nanometer bred.) Varje metas yta är prickad med tiotals miljoner av dessa inlägg. Ljuset rör sig snabbare genom nanoposter med mindre diametrar än genom nanoposter med större diametrar, så att styra bredden på nanopostarna gör att ingenjörerna kan finjustera ljusbanan som passerar genom metasytan för att skapa platta linser.

Tidiga experiment med nanopostmetasytor gav linser vars bilder var suddiga runt kanterna - som ett förstoringsglas. Dock, genom att koppla ihop två metasytor tillsammans, varje nanopost-sida ut ingenjörerna kunde skapa ett linssystem som kan fånga och fokusera ljus från ett 70-graders vinkelområde, vilket gör tekniken användbar för första gången i applikationer för mikroskop och bildbehandling.

"Metasytor som dessa kan enkelt massproduceras, ungefär som datorchips är, "Säger Arbabi." Det betyder att det här kan vara ett billigt och lätt skalbart sätt att skapa små linser med bara några millimeter i diameter. "

Dessutom, linserna kan integreras sömlöst med CMOS (komplementära metalloxid halvledare) bildsensorer eftersom de är tillverkade med samma material och tillverkningstekniker. CMOS bildsensorer är de små chips som ligger till grund för digital fotografering, och utvecklades på JPL.

Platt, lättvikt, och billiga linser efterfrågas för olika konsumentelektronik utrustade med kameror, eller medicinsk utrustning som endoskop, Säger Faraon.

Nästa, teamet planerar att integrera dessa linser i miniatyriserade kameror och mikroskop, och utöka deras funktionalitet och bandbredd.