Att producera de perfekta färgbilder vi behöver och älskar kräver ofta flera, tunga linser så att varje färg fokuserar på exakt samma plan. Nu har Penn State -ingenjörer utvecklat en ny teori som löser problemet med en enda tunn lins som består av gradientindexmaterial och meta -ytskikt för att rikta ljuset korrekt.

"Om vi ​​vill ha högpresterande optiska system, då måste vi övervinna materiell spridning, "sa Sawyer D. Campbell, biträdande forskarprofessor i elektroteknik. "Om vi ​​inte gör det, vi får smutsiga färger, vilket försämrar bildkvaliteten avsevärt. "

Enstaka apokromatiska linser - de som fokuserar korrekt de tre färgerna rött, blått och grönt - som har mindre krökning och är tunnare och lättare kan förbättra mobiltelefonkameror och tillåta tillverkning av tunnare mobiltelefoner. De kan också göra ljusare, bättre kameror, hjälmkameror, prickskyttar, värmeapparater och obemannade flygbilar eller drönare. I huvudsak, allt som använder linser för bild kan göras enklare och lättare.

"Vanligtvis finns det flera linser, men det ökar vikten, "sa Jogender Nagar, doktorand i elektroteknik. "Vårt mål är att förbättra SWaP - minska storlek och vikt samtidigt som prestandan ökar."

Forskarna tänkte kombinera två tekniker:den med gradient-index (GRIN) -lins, och metasytor-ultratunna optiska lager med subvåglängdsfunktioner som manipulerar vågfronten på ett önskat sätt. Forskarna rapporterar resultaten av sitt arbete i det aktuella numret av Optica .

"Vårt system använder en lins, "sa Nagar." Vi använder linsens krökning. distribution av material i linsen, och en metasyta - ett mönster placerat på ytan - för att göra linsen tunnare, lättare, men fokusera ändå ordentligt. "

De flesta linser använder krökning för att styra brännpunkten, men tre separata konventionella linser behövs för att fokusera de tre separata färgerna till en kontaktpunkt och ge en högkvalitativ bild. Genom att rumsligt variera materialkompositionen inuti linsen, ett GRIN -objektiv kan fokusera två färger perfekt. Sedan, genom att lägga till en metayta till GRIN -linsen, en skiktad lins kan perfekt fokusera alla tre färgerna och göra arbetet med tre konventionella linser.

"Lutningen i linsen kan vara axiell - varierande längs ljusutbredningsriktningen, eller optisk axel; eller radiell - varierar utåt från den optiska axeln, "sa Douglas H. Werner, John L. och Genevieve H. McCain Ordförande professor i elektroteknik. "Eller det kan vara mer komplext."

Forskarna utvecklade en teoretisk modell och simuleringsram för att skapa dessa linser.

"Vi var tvungna att använda några avancerade verktyg som specialutvecklats i labbet, "sa Werner." Verktyg för modellering, simulering och optimering som vi skapade för att lösa ett så utmanande designproblem. "

Den teoretiska modellen specificerar rätt ytkrökning och lutning i GRIN -linsen och rätt mönster för metasytan för att uppfylla kraven på perfekt fokusering av alla tre färgerna. Modellen optimerar både objektivet och metasytan för att fungera tillsammans.

"Teorin är mycket allmän och täcker ett brett spektrum av förhållanden, "sade Werner." Tillverkning kommer att vara utmaningen till en början. Vi hoppas att utvecklingen av teorin kommer att styra tillverkningen, gör det möjligt att producera sådana linser till en låg kostnad och hög volym. "