Lenti piatte realizzate con nanostrutture trasformano minuscole fotocamere e proiettori

I Metalenses stanno finalmente passando nelle mani dei consumatori

Questa immagine di un metalens, scattata con un microscopio elettronico a scansione, mostra la variazione nelle dimensioni e nella disposizione dei nanopilastri utilizzati per manipolare la luce.

All'interno dei computer, dei telefoni e degli altri dispositivi mobili di oggi, sempre più sensori, processori e altri dispositivi elettronici lottano per lo spazio. A occupare gran parte di questo prezioso patrimonio sono le fotocamere: quasi ogni gadget ha bisogno di una fotocamera, o due, tre o più. E la parte più ingombrante della fotocamera è l'obiettivo.

Le lenti dei nostri dispositivi mobili in genere raccolgono e dirigono la luce in entrata per rifrazione, utilizzando una curva in materiale trasparente, solitamente plastica, per piegare i raggi. Quindi questi obiettivi non possono restringersi molto più di quanto non abbiano già fatto: per rendere piccola una fotocamera, l'obiettivo deve avere una lunghezza focale corta; ma minore è la focale, maggiore è la curvatura e quindi lo spessore al centro. Questi obiettivi altamente curvi soffrono anche di tutti i tipi di aberrazioni, quindi i produttori di moduli fotocamera utilizzano più obiettivi per compensare, aumentando l'ingombro della fotocamera.

Con gli obiettivi odierni, le dimensioni della fotocamera e la qualità dell'immagine vanno in direzioni diverse. L’unico modo per rendere le lenti più piccole e migliori è sostituire le lenti rifrattive con una tecnologia diversa.

Quella tecnologia esiste. Si tratta del metalens, un dispositivo sviluppato ad Harvard e commercializzato presso Metalenz, dove lavoro come ingegnere applicativo. Creiamo questi dispositivi utilizzando le tradizionali tecniche di lavorazione dei semiconduttori per costruire nanostrutture su una superficie piana. Queste nanostrutture utilizzano un fenomeno chiamato ottica della metasuperficie per dirigere e focalizzare la luce. Queste lenti possono essere estremamente sottili, spesse poche centinaia di micrometri, circa il doppio dello spessore di un capello umano. E possiamo combinare la funzionalità di più lenti curve in uno solo dei nostri dispositivi, affrontando ulteriormente la ristrettezza dello spazio e aprendo la possibilità di nuovi usi per le fotocamere nei dispositivi mobili.

Prima di raccontarti come si è evoluta la lente metallica e come funziona, considera alcuni sforzi precedenti per sostituire la tradizionale lente curva.

Concettualmente, qualsiasi dispositivo che manipoli la luce lo fa alterando le sue tre proprietà fondamentali: fase, polarizzazione e intensità. L'idea che qualsiasi onda o campo ondulatorio possa essere decostruito fino a queste proprietà fu proposta da Christiaan Huygens nel 1678 ed è un principio guida in tutta l'ottica.

In questo singolo metallo [tra le pinzette], i pilastri hanno un diametro inferiore a 500 nanometri. La casella nera in basso a sinistra dell'ingrandimento rappresenta 2,5 micrometri. Metallonz

All'inizio del XVIII secolo, le economie più potenti del mondo attribuivano grande importanza alla costruzione di fari con obiettivi di proiezione più grandi e potenti per proteggere i loro interessi marittimi. Tuttavia, man mano che questi obiettivi di proiezione diventavano più grandi, aumentava anche il loro peso. Di conseguenza, la dimensione fisica di una lente che poteva essere sollevata fino alla sommità di un faro e supportata strutturalmente poneva limitazioni alla potenza del raggio che poteva essere prodotto dal faro.

Il fisico francese Augustin-Jean Fresnel si rese conto che tagliando una lente in sfaccettature, gran parte dello spessore centrale della lente poteva essere rimosso mantenendo comunque lo stesso potere ottico. La lente Fresnel ha rappresentato un notevole miglioramento nella tecnologia ottica ed è ora utilizzata in una serie di applicazioni, tra cui fari automobilistici e luci dei freni, proiettori luminosi e, tuttora, per lenti di proiezione di fari. Tuttavia, la lente di Fresnel presenta dei limiti. Innanzitutto, i bordi piatti delle sfaccettature diventano fonti di luce diffusa. Dall'altro, le superfici sfaccettate sono più difficili da produrre e lucidare con precisione rispetto a quelle curve continue. È un approccio vietato per gli obiettivi delle fotocamere, a causa dei requisiti di precisione della superficie necessari per produrre buone immagini.

Un altro approccio, ora ampiamente utilizzato nel rilevamento 3D e nella visione artificiale, affonda le sue radici in uno degli esperimenti più famosi della fisica moderna: la dimostrazione della diffrazione di Thomas Young del 1802. Questo esperimento ha dimostrato che la luce si comporta come un'onda e quando le onde si incontrano, possono amplificarsi o annullarsi a vicenda a seconda della distanza percorsa dalle onde. Il cosiddetto elemento ottico diffrattivo (DOE) basato su questo fenomeno utilizza le proprietà ondulatorie della luce per creare uno schema di interferenza, ovvero regioni alternate di oscurità e luce, sotto forma di una serie di punti, una griglia o qualsiasi altra cosa. numero di forme. Oggi molti dispositivi mobili utilizzano i DOE per convertire un raggio laser in “luce strutturata”. Questo schema di luce viene proiettato, catturato da un sensore di immagine, quindi utilizzato da algoritmi per creare una mappa 3D della scena. Questi minuscoli DOE si adattano perfettamente ai piccoli gadget, ma non possono essere utilizzati per creare immagini dettagliate. Quindi, ancora una volta, le applicazioni sono limitate.