С момента как телефоны, компьютеры и другая электроника стали еще меньше, их оптические компоненты упорно отказывались уменьшаться. Примечательно, что трудно изготавливать крошечные линзы с помощью традиционных методов резки и гнутья стекла, а элементы в стеклянной линзе часто необходимо складывать друг с другом, чтобы правильно фокусировать свет. Инженеры недавно изучили большую часть физики, лежащей в основе гораздо меньших и более легких альтернатив, известных как металинзы. Эти линзы могут позволить в большей степени миниатюризировать микроскопы и другие лабораторные инструменты, а также потребительские товары, такие как камеры, гарнитуры виртуальной реальности и оптические датчики для многих вещей. И они могли бы улучшить функциональность оптических волокон.
Металинза состоит из плоской поверхности, тоньше микрона, которая покрыта множеством наноразмерных объектов, таких как выступающие колонны или просверленные отверстия. Когда падающий свет попадает на эти элементы, меняются многие его свойства, включая поляризацию, интенсивность, фазу и направление распространения. Исследователи могут точно позиционировать наноразмерные объекты, чтобы гарантировать, что свет, выходящий из металинзы, имеет выбранные характеристики. Более того, металинзы настолько тонкие, что несколько линз могут располагаться друг на друге без значительного увеличения размера. Исследователи продемонстрировали оптические устройства, такие как спектрометры и поляриметры, сделанные из стопок этих плоских поверхностей.
В прошлом году был сделан крупный прорыв: исследователи решили проблему, называемую хроматической аберрацией. Когда белый свет проходит через обычную линзу, лучи с разной длиной волны отклоняются под разными углами и, таким образом, фокусируются на разных расстояниях от линзы; Чтобы исправить этот эффект сегодня - инженерам необходимо аккуратно выравнивать линзы. Теперь одна металинза может фокусировать все длины волн белого света в одном и том же месте. Помимо создания этой «ахроматической» металинзы, ученые разработали металинзу, которая корректирует другие аберрации, такие как кому и астигматизм, которые вызывают искажения и размытость изображения.
В дополнение к уменьшению размера, металинзы должны в конечном итоге снизить стоимость оптических компонентов, потому что крошечные линзы могут быть изготовлены на том же оборудовании, которое уже используется в полупроводниковой промышленности. Эта особенность открывает заманчивую перспективу изготовления, скажем, оптических и электронных компонентов крошечного светового сенсора например.
Однако на данный момент расходы по-прежнему высоки, поскольку трудно точно разместить наноразмерные элементы на чипе сантиметрового масштаба. Другие ограничения также нуждаются в рассмотрении. Пока что металинзы не пропускают свет так же эффективно, как традиционные линзы, что является важной возможностью для таких приложений, как создание полноцветных изображений. Кроме того, они слишком малы, чтобы улавливать большое количество света, а это означает, что, по крайней мере, на данный момент, они не подходят для получения высококачественных фотографий.
Тем не менее, в ближайшие несколько лет крошечные линзы, вероятно, превратятся в более мелкие и простые в изготовлении датчики, диагностические инструменты, такие как устройства для эндоскопической визуализации, и оптические волокна. Эти потенциальные перспективы достаточно привлекательны, чтобы получить исследовательскую поддержку со стороны государственных органов и таких компаний, как Samsung и Google. По крайней мере, один стартап, Metalenz, рассчитывает вывести на рынок такой продукт в течение следующих нескольких лет.
