För fotografer och forskare, linser är livräddare. De reflekterar och bryter ljus, möjliggöra bildsystem som driver upptäckt genom mikroskopet och bevarar historiken genom kameror.

Men dagens glasbaserade linser är skrymmande och motstår miniatyrisering. Nästa generations teknik, som ultratunna kameror eller små mikroskop, kräver linser gjorda av en ny uppsättning material.

I ett papper publicerat 9 februari i Vetenskapliga framsteg , forskare vid University of Washington meddelade att de framgångsrikt har kombinerat två olika avbildningsmetoder - en typ av lins utformad för nanoskala -interaktion med ljusvågor, tillsammans med robust beräkningsbearbetning-för att skapa bilder i fullfärg.

Teamets ultratunna lins ingår i en klass av konstruerade objekt som kallas metasytor. Metasurfaces är 2-D-analoger av metamaterial, som är tillverkade material med fysikaliska och kemiska egenskaper som normalt inte finns i naturen. Ett meta-ytbaserat objektiv-eller metallens-består av plana mikroskopiskt mönstrade materialytor utformade för att interagera med ljusvågor. Hittills, bilder tagna med metalllinser ger tydliga bilder - i bästa fall - för endast små bitar av det visuella spektrumet. Men UW-teamets metaller-i samband med beräkningsfiltrering-ger bilder i fullfärg med mycket låga avvikelser över det visuella spektrumet.

"Vårt tillvägagångssätt kombinerar de bästa aspekterna av metallenses med beräknad bildbehandling - vilket gör det möjligt för oss, för första gången, för att producera bilder i fullfärg med hög effektivitet, "sa seniorförfattaren Arka Majumdar, en UW -biträdande professor i fysik och elektroteknik.

I stället för tillverkat glas eller silikon, metallenses består av upprepade uppsättningar av nanometerskalestrukturer, som kolumner eller fenor. Om de är ordentligt utformade på dessa småskaliga skalor, dessa strukturer kan interagera med enskilda ljusvågor med precision som traditionella linser inte kan. Eftersom metallenses också är så små och tunna, de tar mycket mindre plats än de skrymmande linserna på kameror och högupplösta mikroskop. Metalenses tillverkas av samma typ av halvledartillverkningsprocess som används för att göra datorchips.

"Metalenses är potentiellt värdefulla verktyg för optisk bildbehandling eftersom de kan utformas och konstrueras för att fungera bra för en given våglängd av ljus, "sade huvudförfattaren Shane Colburn, en UW -doktorand i elektroteknik. "Men det har också varit deras nackdel:Varje metalltyp fungerar bara bäst inom ett smalt våglängdsområde."

I experiment som producerar bilder med metallenses, det optimala våglängdsintervallet hittills har varit mycket smalt:i bästa fall cirka 60 nanometer brett med hög effektivitet. Men det visuella spektrumet är 300 nanometer brett.

Dagens metalllinser ger vanligtvis exakta bilder inom sitt snäva optimala område-till exempel en helt grön bild eller en helt röd bild. För scener som innehåller färger utanför det optimala intervallet, bilderna verkar suddiga, med dålig upplösning och andra defekter som kallas "kromatiska aberrationer". För en ros i en blå vas, en rödoptimerad metall kan ta upp rosens röda kronblad med få avvikelser, men den gröna stjälken och den blå vasen skulle vara olösta fläckar - med höga nivåer av kromatiska aberrationer.

Majumdar och hans team antog att, om en enda metall kan producera en konsekvent typ av visuell aberration i en bild över alla synliga våglängder, då kunde de lösa avvikelserna för alla våglängder efteråt med hjälp av beräkningsfiltreringsalgoritmer. För rosen i den blå vasen, denna typ av metaller skulle fånga en bild av den röda rosen, blå vas och grön stam alla med liknande typer av kromatiska aberrationer, som kan hanteras senare med beräkningsfiltrering.

De konstruerade och konstruerade metaller vars yta var täckt av små, nanometer breda kolonner av kiselnitrid. Dessa kolumner var tillräckligt små för att sprida ljus över hela det visuella spektrumet, som omfattar våglängder från 400 till 700 nanometer.

Kritiskt, forskarna utformade arrangemanget och storleken på kiselnitridkolumnerna i metallerna så att det skulle uppvisa en "spektralt invariant punktspridningsfunktion". Väsentligen, denna funktion säkerställer att - för hela det visuella spektrumet - bilden skulle innehålla avvikelser som kan beskrivas med samma typ av matematisk formel. Eftersom denna formel skulle vara densamma oavsett ljusets våglängd, forskarna skulle kunna tillämpa samma typ av beräkningsprocessering för att "korrigera" avvikelserna.

De byggde sedan en prototyp av metaller baserat på deras design och testade hur bra metallerna presterade i kombination med beräkningsprocess. Ett standardmått för bildkvalitet är "strukturell likhet" - ett mått som beskriver hur väl två bilder av samma scen delar ljusstyrka, struktur och kontrast. Ju högre kromatiska avvikelser i en bild, ju lägre strukturell likhet det kommer att ha med den andra bilden. UW -teamet fann att när de använde en konventionell metall, de uppnådde en strukturell likhet på 74,8 procent när man jämför röda och blå bilder av samma mönster; dock, när de använder sin nya metallens design och beräkningsprocess, den strukturella likheten steg till 95,6 procent. Ändå är den totala tjockleken på deras bildsystem 200 mikrometer, vilket är ungefär 2, 000 gånger tunnare än nuvarande mobiltelefonkameror.

"Detta är en väsentlig förbättring av metallens prestanda för fullfärgsavbildning-särskilt för att eliminera kromatiska aberrationer, "sa medförfattaren Alan Zhan, en UW -doktorand i fysik.

Dessutom, till skillnad från många andra meta-ytbaserade bildsystem, UW-teamets tillvägagångssätt påverkas inte av ljusets polariseringstillstånd-som hänvisar till orienteringen av det elektriska fältet i 3D-rymden som ljusvågor färdas i.

Teamet sa att dess metod bör fungera som en färdplan för att göra metaller - och utforma ytterligare beräkningssteg - som kan fånga ljus mer effektivt, samt skärpa kontrasten och förbättra upplösningen. Det kan ge små, nästa generations avbildningssystem inom räckhåll.