Med en enda lins som är ungefär en tusendels tum tjock, forskare har skapat en kamera som inte kräver fokusering. Tekniken erbjuder betydande fördelar jämfört med traditionella kameror som de som finns i de flesta smartphones, som kräver flera linser för att bilda hög kvalitet, i fokus-bilder.

"Våra platta linser kan drastiskt minska vikten, komplexitet och kostnad för kameror och andra bildsystem, samtidigt som deras funktion förbättras, "sa forskargruppens ledare Rajesh Menon från University of Utah." Sådan optik kan möjliggöra tunnare smarttelefonkameror, förbättrade och mindre kameror för biomedicinsk avbildning såsom endoskopi, och mer kompakta kameror för bilar. "

I Optica , The Optical Society's (OSA) tidskrift för högeffektiv forskning, Menon och kollegor beskriver sin nya platta lins och visar att den kan behålla fokus för objekt som ligger cirka 6 meter från varandra. Platta linser använder nanostrukturer mönstrade på en plan yta snarare än skrymmande glas eller plast för att uppnå de viktiga optiska egenskaperna som styr hur ljuset rör sig.

"Det här nya objektivet kan ha många intressanta tillämpningar utanför fotografering, till exempel skapa mycket effektiv belysning för LIDAR som är avgörande för många autonoma system, inklusive självkörande bilar, sa Menon.

Forskarna säger att designmetoden de använde skulle kunna utökas för att skapa optiska komponenter med valfritt antal egenskaper som extrem bandbredd, lättare tillverkbarhet eller lägre kostnad.

Ifrågasätter läroboken

Konventionella kameror, om det används i smartphones eller för mikroskopi, kräver fokusering för att säkerställa att detaljerna i ett objekt är skarpa. Om det finns flera objekt på olika avstånd från kameran, varje objekt måste fokuseras separat.

"Det nya objektivet eliminerar behovet av fokusering och gör att alla kameror kan hålla alla objekt i fokus samtidigt, "sa Menon." Konventionella kameror använder också flera objektiv för att hålla olika ljusfärger i fokus samtidigt. Eftersom vår design är mycket allmän, vi kan också använda den för att skapa en enda platt lins som fokuserar alla färger av ljus, drastiskt förenkla kameror ännu mer. "

För att fokusera ljuset, traditionella linser förvandlar parallella ljusvågor till sfäriska vågor som konvergerar till en fokuspunkt. I ett viktigt genombrott, forskarna insåg att vågor med andra former kan ge en liknande effekt, ökar antalet möjliga linsdesigner avsevärt.

"I stark kontrast till vad som lärs ut i optikläroböcker, vår forskning har visat att det finns mer än ett sätt att ljusöverföring påverkas av en idealisk lins - ett koncept som kallas pupillfunktion, "sa Menon." Detta öppnade väsentligen oändliga möjligheter för objektivets pupillfunktion, och vi sökte igenom dessa möjligheter efter en som uppnådde ett extremt fokusdjup. "

Experimentell bekräftelse

Efter att ha valt den bästa linsdesignen för fokusdjup, forskarna använde nanofabricationstekniker för att göra en prototyplins. Experiment bekräftade att det nya objektivet fungerade som förväntat och uppnådde ett djup av fokus flera storleksordningar större än det för ett ekvivalent konventionellt objektiv.

Forskarna demonstrerade det nya objektivet med hjälp av infrarött ljus och relativt låg numerisk bländare - ett tal som kännetecknar det vinkelintervall som objektivet kan acceptera eller avge ljus över. De planerar att förlänga objektivet till större numeriska bländare och använda det med hela synliga ljusspektrumet. Arbete för att se till att linserna kan masstillverkas behövs också innan de kan kommersialiseras.

"Denna forskning är ett bra exempel på hur övergivande av traditionella föreställningar kan möjliggöra enheter som tidigare ansågs omöjliga, "sa Menon." Det fungerar som en bra påminnelse om att ifrågasätta dikter från det förflutna. "