I metalli del team UW sono costituiti da matrici di minuscoli pilastri di nitruro di silicio su vetro che influenzano il modo in cui la luce interagisce con la superficie. A seconda delle dimensioni e della disposizione di questi pilastri, si possono progettare lenti microscopiche con proprietà diverse. Un metalens tradizionale (in alto) mostra spostamenti nella lunghezza focale per diverse lunghezze d'onda della luce, produrre immagini con una forte sfocatura dei colori. Il design metalens modificato del team UW (in basso), però, interagisce con lunghezze d'onda diverse allo stesso modo, generando immagini uniformemente sfocate che consentono una correzione software semplice e veloce per recuperare immagini nitide e a fuoco. Credito:Shane Colburn/Alan Zhan/Arka Majumdar
Per fotografi e scienziati, le lenti sono salvavita. Riflettono e rifrangono la luce, rendendo possibili i sistemi di imaging che guidano la scoperta attraverso il microscopio e preservano la storia attraverso le fotocamere.
Ma le lenti a base di vetro di oggi sono ingombranti e resistono alla miniaturizzazione. Tecnologie di nuova generazione, come fotocamere ultrasottili o microscopi, richiedono lenti realizzate con una nuova gamma di materiali.
In un articolo pubblicato il 9 febbraio in Progressi scientifici , gli scienziati dell'Università di Washington hanno annunciato di aver combinato con successo due diversi metodi di imaging:un tipo di lente progettata per l'interazione su scala nanometrica con le onde luminose, insieme a una solida elaborazione computazionale, per creare immagini a colori.
La lente ultrasottile del team fa parte di una classe di oggetti ingegnerizzati noti come metasuperfici. Le metasuperfici sono analoghi bidimensionali dei metamateriali, che sono materiali fabbricati con proprietà fisiche e chimiche normalmente non presenti in natura. Una lente basata sulla metasuperficie, o metalens, è costituita da superfici di materiale piatte con motivi microscopici progettate per interagire con le onde luminose. Ad oggi, le immagini scattate con metalense producono immagini chiare, nella migliore delle ipotesi, solo per piccole porzioni dello spettro visivo. Ma i metalli del team UW, insieme al filtraggio computazionale, producono immagini a colori con livelli molto bassi di aberrazioni in tutto lo spettro visivo.
"Il nostro approccio combina i migliori aspetti dei metalenses con l'imaging computazionale, consentendoci, per la prima volta, per produrre immagini a colori con alta efficienza, " ha detto l'autore senior Arka Majumdar, un assistente professore di fisica e ingegneria elettrica UW.
Parte del setup sperimentale del team per catturare un'immagine usando un metalens. I ricercatori catturano un'immagine di fiori attraverso un metalens (montato su un vetrino da microscopio) e la visualizzano attraverso un microscopio. Credito:Matt Hagen/UW Clean Energy Institute
Invece di vetro fabbricato o silicone, metalenses sono costituiti da serie ripetute di strutture su scala nanometrica, come colonne o alette. Se correttamente disposto su queste minuscole scale, queste strutture possono interagire con le singole onde luminose con una precisione che le lenti tradizionali non possono. Poiché anche i metalensi sono così piccoli e sottili, occupano molto meno spazio degli ingombranti obiettivi delle fotocamere e dei microscopi ad alta risoluzione. I metalenses sono prodotti dallo stesso tipo di processo di fabbricazione dei semiconduttori utilizzato per realizzare i chip dei computer.
"I metalli sono strumenti potenzialmente preziosi nell'imaging ottico poiché possono essere progettati e costruiti per funzionare bene per una data lunghezza d'onda della luce, ", ha affermato l'autore principale Shane Colburn, uno studente di dottorato UW in ingegneria elettrica. "Ma questo è stato anche il loro svantaggio:ogni tipo di metallo funziona meglio solo in un intervallo di lunghezze d'onda ristretto".
Negli esperimenti che producono immagini con metalenses, l'intervallo di lunghezze d'onda ottimale finora è stato molto ristretto:al massimo circa 60 nanometri di larghezza con un'elevata efficienza. Ma lo spettro visivo è largo 300 nanometri.
I metalenses odierni in genere producono immagini accurate all'interno del loro ristretto intervallo ottimale, ad esempio un'immagine completamente verde o un'immagine completamente rossa. Per le scene che includono colori al di fuori di tale intervallo ottimale, le immagini appaiono sfocate, con scarsa risoluzione e altri difetti noti come "aberrazioni cromatiche". Per una rosa in un vaso blu, un metalens ottimizzato per il rosso potrebbe raccogliere i petali rossi della rosa con poche aberrazioni, ma lo stelo verde e il vaso blu sarebbero macchie irrisolte, con alti livelli di aberrazioni cromatiche.
Majumdar e il suo team hanno ipotizzato che, se un singolo metallo potesse produrre un tipo coerente di aberrazione visiva in un'immagine su tutte le lunghezze d'onda visibili, quindi potrebbero risolvere le aberrazioni per tutte le lunghezze d'onda in seguito utilizzando algoritmi di filtraggio computazionale. Per la rosa nel vaso azzurro, questo tipo di metalens catturerebbe un'immagine della rosa rossa, vaso blu e gambo verde tutti con simili tipi di aberrazioni cromatiche, che potrebbe essere affrontato in seguito utilizzando il filtraggio computazionale.
I metalen del team UW, insieme all'elaborazione computazionale, può catturare immagini per una varietà di lunghezze d'onda della luce con livelli molto bassi di aberrazioni cromatiche. Per questa immagine in bianco e nero della Gioconda (in alto), la prima riga mostra quanto bene un metallo ottimizzato per il verde cattura l'immagine per la luce verde, ma provoca una forte sfocatura per le lunghezze d'onda del blu e del rosso. I metalli migliorati del team UW (seconda fila) catturano immagini con tipi simili di aberrazioni per il blu, lunghezze d'onda verdi e rosse, mostrando sfocatura uniforme attraverso lunghezze d'onda. Ma il filtraggio computazionale rimuove la maggior parte di queste aberrazioni, come mostrato nella riga in basso, che è un sostanziale miglioramento rispetto a un metalens tradizionale (prima fila), che è a fuoco solo per la luce verde ed è incomprensibile per il blu e il rosso. Credito:Shane Colburn/Alan Zhan/Arka Majumdar
Hanno progettato e costruito un metalens la cui superficie era ricoperta da minuscoli, colonne di nitruro di silicio larghe nanometri. Queste colonne erano abbastanza piccole da diffrangere la luce attraverso l'intero spettro visivo, che comprende lunghezze d'onda che vanno da 400 a 700 nanometri.
criticamente, i ricercatori hanno progettato la disposizione e le dimensioni delle colonne di nitruro di silicio nei metalli in modo che mostrassero una "funzione di diffusione del punto spettrale invariante". Essenzialmente, questa caratteristica assicura che, per l'intero spettro visivo, l'immagine contenga aberrazioni che possono essere descritte dallo stesso tipo di formula matematica. Poiché questa formula sarebbe la stessa indipendentemente dalla lunghezza d'onda della luce, i ricercatori potrebbero applicare lo stesso tipo di elaborazione computazionale per "correggere" le aberrazioni.
Hanno quindi costruito un prototipo di metalens basato sul loro design e hanno testato il rendimento dei metalens abbinati all'elaborazione computazionale. Una misura standard della qualità dell'immagine è la "somiglianza strutturale", una metrica che descrive quanto bene due immagini della stessa scena condividono la luminosità, struttura e contrasto. Maggiori sono le aberrazioni cromatiche in un'immagine, minore sarà la somiglianza strutturale che avrà con l'altra immagine. Il team UW ha scoperto che quando hanno usato un metalens convenzionale, hanno raggiunto una somiglianza strutturale del 74,8% confrontando immagini rosse e blu dello stesso modello; però, quando si utilizza il loro nuovo design in metallo e l'elaborazione computazionale, la somiglianza strutturale è salita al 95,6 per cento. Eppure lo spessore totale del loro sistema di imaging è di 200 micrometri, che è circa 2, 000 volte più sottili delle attuali fotocamere dei cellulari.
"Si tratta di un miglioramento sostanziale delle prestazioni dei metalli per l'imaging a colori, in particolare per l'eliminazione delle aberrazioni cromatiche, " ha detto il co-autore Alan Zhan, uno studente di dottorato in fisica UW.
Inoltre, a differenza di molti altri sistemi di imaging basati sulla metasuperficie, l'approccio del team UW non è influenzato dallo stato di polarizzazione della luce, che si riferisce all'orientamento del campo elettrico nello spazio 3D in cui viaggiano le onde luminose.
Il team ha affermato che il suo metodo dovrebbe fungere da road map verso la creazione di un metalens e la progettazione di ulteriori fasi di elaborazione computazionale in grado di catturare la luce in modo più efficace, oltre a rendere più nitido il contrasto e migliorare la risoluzione. che può portare minuscolo, sistemi di imaging di nuova generazione a portata di mano.
