Harvards Flat-Surface Metalens eliminiert chromatische Aberration und revolutioniert die virtuelle Realität

• Harvard-Forscher haben Metalens entwickelt, die alle sichtbaren Lichtspektren in hoher Auflösung auf einen bestimmten Punkt fokussieren können.
• Es werden Titandioxid-Nanolamellen verwendet, die alle Lichtwellenlängen gleichmäßig bündeln und so chromatische Aberrationen beseitigen.
• Metalens eröffnet eine Reihe neuer Möglichkeiten, einschließlich Anwendungen in der Lithographie, Mikroskopie, Endoskopie, virtuellen und gemischten Realität.

Eine Metalllinse ist eine Linse mit flacher Oberfläche, die Nanostrukturen zur Fokussierung des Lichts nutzt. Es bietet das Potenzial, die vorhandene dicke, gebogene Linse zu ersetzen. Allerdings blieb das Lichtspektrum, mit dem es präzise fokussieren kann, begrenzt.

Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences haben ein neues Metallobjekt entwickelt, das in der Lage ist, alle sichtbaren Lichtspektren in hoher Auflösung auf einen bestimmten Ort zu fokussieren. Bisher war dies nur durch das Stapeln von zwei oder mehr herkömmlichen Linsen möglich.

Dies hat die Forscher der Integration dünner Linsen in herkömmliche und fortschrittliche optische Geräte wie Kameras sowie Augmented- und Virtual-Reality-Geräte einen Schritt näher gebracht. Lassen Sie uns im Detail herausfinden, wie es Harvard-Forschern gelungen ist, diesen Meilenstein zu erreichen.

Hürden

Es ist sehr schwierig, das gesamte sichtbare Lichtspektrum (einschließlich der weißen Farbe) auf einen Punkt zu fokussieren, hauptsächlich weil sich unterschiedliche Wellenlängen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch Materialien bewegen. Beispielsweise ist blaues Licht langsamer als rotes Licht, sodass diese beiden Farben zu unterschiedlichen Zeiten an einem bestimmten Punkt ankommen, wodurch sich die Brennpunkte unterscheiden und das Bild verzerrt wird. Diese Verzerrung wird als chromatische Aberration bezeichnet.

Um diese Aberrationen auszugleichen, verwenden alle optischen Geräte zwei oder mehr gebogene Linsen mit unterschiedlichen Dicken, wodurch das Instrument größer wird.

Metalllinsen und Design

Metalllinsen haben gegenüber herkömmlichen Linsen mehrere Vorteile:Sie sind einfach herzustellen, dünn und kostengünstig. Das Forschungsteam hat diese Vorteile im gesamten sichtbaren Lichtspektrum genutzt.

Die neuen Metalens verwenden Titandioxid-Nanoflossen, die alle Lichtwellenlängen gleichmäßig fokussieren und so chromatische Aberrationen beseitigen. Zu diesem Zweck haben die Forscher einige Ideen aus früheren Studien übernommen, die zeigen, dass unterschiedliche Wellenlängen auf einen bestimmten Punkt fokussiert werden können, indem Breite, Höhe, Abstand und Form der Nanoflossen angepasst werden.

Elektronenmikroskop zeigt Seitenansicht von Metallen, Maßstabsleiste – 200 nm | Capasso Lab/Havard SEAS

Im neuen Design steuern gepaarte Nanoflossen gleichzeitig die Geschwindigkeit verschiedener Wellenlängen und den Brechungsindex der Oberfläche der Metalle. Dies führt zu unterschiedlichen Zeitverzögerungen für Wellenlängen, die durch verschiedene Rippen laufen, so dass alle Lichter im selben Moment am Brennpunkt ankommen.

Die Lichtgeschwindigkeit im nanostrukturierten Material kann durch die Verschmelzung zweier Nanoflossen zu einem Element eingestellt werden. Im Vergleich zu achromatischen Linsen verringern sich die Dicke und die Designkomplexität deutlich.

Konkret hat das Team eine beugungsbegrenzte achromatische Fokussierung und Abbildung von 470 bis 760 Nanometern demonstriert. Die neuen Metalens enthalten nur eine einzige Schicht aus Nanostrukturen mit einer Dicke in der Größenordnung der Wellenlänge und erfordern kein räumliches Multiplexing oder Kaskadieren.

Das gleiche Designprinzip könnte auf andere Bereiche des elektromagnetischen Spektrums angewendet werden. Die Realisierung achromatischer Metalllinsen mit größeren Durchmessern und größeren numerischen Aperturen erfordert einen größeren Bereich der Gruppenverzögerung, der durch mehrere Kombinationen von Nanoflossen mit unterschiedlichen Abmessungen unterstützt wird. Dies könnte durch verschiedene Dispersionstechniken oder durch einfache Erhöhung der Höhe der Nanoflossen erreicht werden.

Flache Metalle | Bildnachweis:Jared Sisler/Harvard SEAS

In dieser Forschung wurden Titandioxid-Nanostrukturen mit einer Höhe von etwa 4,5 Mikrometern demonstriert, was einer Gruppenverzögerung von etwa 37 Femtosekunden (10–15 Sekunden) entspricht.

Referenz:Nature Nanotechnology | doi:10.1038/s41565-017-0034-6 | Harvard SEAS

Kaskadierende Metalllinsenschichten könnten die Gruppenverzögerung weiter erhöhen, was einen zusätzlichen Freiheitsgrad zur Korrektur monochromatischer Aberrationen innerhalb eines großen Sichtfelds bietet. Einmal kann auch eine Metalllinse, die als Aberrationskorrektor fungiert, mit einer refraktiven sphärischen Linse kombiniert werden.

Es sieht vielversprechend aus, da man gleichzeitig chromatische und monochromatische Aberrationen der sphärischen Linse korrigieren und gleichzeitig die Vorteile einer größeren Objektivapertur und einer kleinen chromatischen Brennweitenverschiebung nutzen könnte.

Was kommt als nächstes?

Harvard hat die Technologie bereits an ein Start-up lizenziert, um sie kommerziell weiterzuentwickeln, und das geistige Eigentum des Projekts geschützt.

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Die Forschung zielt nun darauf ab, den Durchmesser der Linse auf 1 Zentimeter zu vergrößern, was eine Reihe neuer Möglichkeiten eröffnen könnte, darunter Anwendungen in der Lithographie, Mikroskopie, Endoskopie, virtuellen und gemischten Realität.