Складена система метаповерхневих лінз для ультратонких камер
Складена система метаповерхневих лінз для ультратонких камер
Тонкі камери стали незамінними в сучасній побутовій електроніці, включаючи смартфони та пристрої віртуальної/доповненої реальності, які вимагають компактних і легких конструкцій. Отже, зменшення їхньої товщини є нагальною проблемою. У звичайних камерах система лінз є основним фактором, що впливає на товщину модуля камери. Ці системи лінз зазвичай використовують послідовно розташовані заломлюючі лінзи, що за своєю суттю призводить до більшої громіздкості конструкції через дві причини. По-перше, порожній простір між окремими лінзами є важливим для забезпечення довжини оптичного шляху, необхідної для досягнення бажаної ефективної фокусної відстані і для виправлення оптичних аберацій. По-друге, власний об’єм заломлюючих лінз значно збільшує загальну громіздкість системи.
Плоскі лінзи розглядаються як альтернатива для створення компактних систем лінз завдяки їхньому тонкому форм-фактору. Однак, незважаючи на значне зменшення товщини окремих лінз, загальна товщина систем лінз залишається значною через збереження порожніх просторів. Таким чином, те, наскільки ефективно забезпечується довжина оптичного шляху, стає ключовим у розробці систем тонких лінз. Багатообіцяючим рішенням є застосування складеної оптики, у якій світлові траєкторії згортаються багаторазово, щоб ефективно забезпечити необхідну довжину оптичного шляху. Тим не менш, незважаючи на ці досягнення, товщина системи лінз продовжує створювати проблеми, а складна упаковка та точне вирівнювання оптичних елементів підвищують ризик механічних пошкоджень. Отже, подальше зменшення товщини систем лінз із використанням традиційної складеної оптики залишається складним завданням.
Метаповерхні, які являють собою двовимірні масиви наноструктур, здатні маніпулювати світлом на субхвильових масштабах, з’являються як перспективна технологія для оптичних систем наступного покоління. Використання літографії забезпечує точне вирівнювання оптичних елементів. Нещодавно була запропонована модель pancake metalens, що складається вдвічі по довжині оптичного шляху за допомогою додаткового дзеркала, але вона страждає від фундаментального обмеження поля зору через вихідну апертуру, і має обмежену кількість згинів. Розвивається також конфігурація діагонального згортання з використанням метаповерхневої складеної оптики. Однак, незважаючи на ці досягнення, жодна з моделей ще не втілена в пристрій для обробки зображень, здатний задовольнити зростаючі вимоги побутової електроніки. Таким чином, створення систем тонких лінз через складену конфігурацію залишається серйозним викликом.
У новому дослідженні корейські вчені [1] пропонують систему тонких лінз із використанням метаповерхневої складеної оптики. Метаповерхні розташовані горизонтально і направляють світло через складні діагональні шляхи всередині скляної підкладки, щоб оптимізувати використання простору для оптичних шляхів. Завдяки такому підходу створено систему надтонких лінз товщиною 0,7 мм, що є вдвічі менше за ефективну фокусну відстань. Прототип виготовлено за допомогою виробничого процесу на основі літографії, який полегшує точне вирівнювання метаповерхонь і отворів. Це не тільки підвищує точність вирівнювання, але й масштабується, що важливо для масового виробництва. Експериментальні результати демонструють, що схема не лише зменшує товщину оптичної системи вдвічі, але й демонструє квазі-дифракційну якість зображення з кутом огляду 10° та діафрагмовим числом 4 на довжині хвилі 852 нм. Робота започатковує нову платформу для компактних камер зі складеною нанооптикою.
1. Youngjin Kim et al. Metasurface folded lens system for ultrathin cameras. Sci. Adv. 10, eadr2319 (2024). DOI:10.1126/sciadv.adr231