Gli ingegneri di Caltech hanno sviluppato un sistema di lenti ottiche piatte che possono essere facilmente prodotte in serie e integrate con sensori di immagine, aprendo la strada a fotocamere più economiche e leggere in tutto, dai telefoni cellulari ai dispositivi medici.

La tecnologia si basa sull'impilamento di due metasuperfici. Le metasuperfici sono fogli di materiale le cui proprietà elettromagnetiche possono essere modificate su richiesta. In questo caso, le metasuperfici sono punteggiate da cilindri di silicio più piccoli di un micron che alterano il modo in cui la luce le attraversa.

"Il modo in cui produciamo le lenti non è cambiato molto dai tempi di van Leeuwenhoek. Fino ad ora, " dice Andrei Faraon del Caltech (BS '04), riferendosi ad Antonie van Leeuwenhoek, uno scienziato olandese e produttore di lenti che ha creato alcuni dei primi microscopi.

Faraone, assistente professore di fisica applicata e scienza dei materiali nella divisione di ingegneria e scienze applicate di Caltech, ha collaborato con il ricercatore postdottorato Caltech Amir Arbabi e Seunghoon Han di Samsung Electronics per sviluppare il sistema di lenti. Il loro lavoro è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura il 28 novembre.

Una lente classica in plastica o vetro ha una forma curva che piega il percorso della luce in entrata verso un unico punto focale. Questo perché la luce viaggia più velocemente attraverso il vetro più sottile ai bordi della lente che attraverso il vetro più spesso al centro.

Le metasuperfici svolgono lo stesso compito utilizzando nanopost di silicio, cilindri alti appena 600 nanometri e con diametri variabili nell'ordine delle centinaia di nanometri. (Per la scala, una ciocca di capelli umani è 100, 000 nanometri di larghezza.) Ogni metasuperficie è punteggiata da decine di milioni di questi post. La luce viaggia più velocemente attraverso nanopost con diametri più piccoli che attraverso nanopost con diametri maggiori, quindi il controllo della larghezza dei nanopost consente agli ingegneri di regolare con precisione il percorso della luce che passa attraverso la metasuperficie per creare lenti piatte.

I primi esperimenti con metasuperfici nanopost hanno prodotto lenti le cui immagini erano sfocate attorno ai bordi, come una lente d'ingrandimento. Però, accoppiando due metasuperfici insieme, ogni nanopost-side-out, gli ingegneri sono stati in grado di creare un sistema di lenti in grado di catturare e focalizzare la luce da una gamma angolare di 70 gradi, rendendo la tecnologia utile per la prima volta nelle applicazioni di imaging di microscopi e fotocamere.

"Metasuperfici come queste possono essere facilmente prodotte in serie, proprio come sono i chip dei computer, " Dice Arbabi. "Ciò significa che questo potrebbe essere un modo economico e facilmente scalabile per creare lenti minuscole di pochi millimetri di diametro".

Inoltre, le lenti possono essere perfettamente integrate con i sensori di immagine CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) perché sono realizzati con gli stessi materiali e tecniche di fabbricazione. I sensori di immagine CMOS sono i minuscoli chip alla base della fotografia digitale, e sono stati sviluppati al JPL.

Appartamento, leggero, e gli obiettivi economici sono richiesti per vari dispositivi elettronici di consumo dotati di fotocamere, o dispositivi medici come endoscopi, dice Faraone.

Prossimo, il team prevede di integrare questi obiettivi in ​​fotocamere e microscopi miniaturizzati, ed estenderne la funzionalità e la larghezza di banda operativa.