เลนส์โลหะหนาไมครอนใหม่ปรับและโฟกัสที่ระดับความลึกที่แตกต่างกัน

กระจกขัดเงาเป็นศูนย์กลางของระบบการถ่ายภาพมานานหลายศตวรรษ ความโค้งที่แน่นอนของพวกเขา

ช่วยให้เลนส์สามารถโฟกัสแสงและสร้างภาพที่ชัดเจนโดยไม่คํานึงถึงไม่ว่าวัตถุในมุมมองจะเป็นเซลล์เดียว หน้าหนังสือ หรือแม้แต่กาแล็กซีที่อยู่ห่างไกล

เปลี่ยนโฟกัสเพื่อให้เห็นชัดเจนในสิ่งเหล่านี้ทั้งหมดโดยปกติจะต้องมีการเคลื่อนไหวทางกายภาพของเลนส์โดยการเอียงเลื่อนหรือเคลื่อนที่โดยปกติจะใช้ชิ้นส่วนกลไกที่ประกอบขึ้นเป็นกล้องจุลทรรศน์และกล้องโทรทรรศน์ส่วนใหญ่

นักวิจัยสลักพื้นผิวของวัสดุโครงสร้างขนาดเล็กที่มีลวดลายอย่างแม่นยำซึ่งทำงานร่วมกันเป็นพื้นผิวโลหะการหักเหหรือสะท้อนแสงด้วยวิธีที่ไม่เหมือนใคร เมื่อคุณสมบัติของวัสดุเปลี่ยนไปฟังก์ชันออปติคอลของเมตาเซอร์เฟซจะเปลี่ยนไปตามนั้น ในกรณีนี้เมื่อวัสดุอยู่ที่อุณหภูมิห้อง metasurface จะโฟกัสแสงเพื่อสร้างภาพที่ชัดเจนของวัตถุในระยะที่กำหนด เมื่อวัสดุได้รับความร้อนโครงสร้างอะตอมของมันจะเปลี่ยนไปและในการตอบสนอง metasurface จะเปลี่ยนเส้นทางแสงเพื่อโฟกัสไปที่วัตถุที่อยู่ไกลขึ้น

ดังนั้น metalens ที่ใช้งานอยู่ใหม่สามารถปรับโฟกัสโดยไม่ต้องใช้องค์ประกอบเชิงกลขนาดใหญ่ การออกแบบใหม่ซึ่งปัจจุบันเปิดใช้งานการถ่ายภาพอินฟราเรดสามารถช่วยให้อุปกรณ์ออพติคอลมีความยืดหยุ่นมากขึ้นเช่นกล้องถ่ายภาพความร้อนขนาดเล็กสำหรับโดรนกล้องถ่ายภาพความร้อนขนาดกะทัดรัดพิเศษสำหรับโทรศัพท์มือถือและแว่นตาสำหรับมองกลางคืนแบบ low-profile

“ผลลัพธ์ของเราแสดงให้เห็นว่าของเราเลนส์ที่ปรับได้บางเฉียบและไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวสามารถให้ภาพที่ปราศจากความคลาดเคลื่อนของวัตถุที่ซ้อนทับกันซึ่งมีความลึกต่างกัน ซึ่งเทียบได้กับระบบออพติคอลขนาดใหญ่แบบเดิม"

Tian Gu เป็นนักวิทยาศาสตร์การวิจัยที่ห้องปฏิบัติการวิจัยวัสดุของสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์

เลนส์ใหม่ทำจากวัสดุที่มีตัวแปรเฟสซึ่งทีมสร้างขึ้นโดยการปรับแต่งวัสดุที่ใช้กันทั่วไปในซีดีและดีวีดีแบบเขียนซ้ำได้ เรียกว่า GST ประกอบด้วยเจอร์เมเนียมพลวงและเทลลูเรียมและโครงสร้างภายในจะเปลี่ยนแปลงเมื่อได้รับความร้อนจากเลเซอร์พัลส์ สิ่งนี้ช่วยให้วัสดุสามารถสลับไปมาระหว่างสถานะโปร่งใสและทึบแสง - กลไกที่ช่วยให้คุณเขียนลบและเขียนทับข้อมูลที่จัดเก็บในซีดี

เมื่อต้นปีนี้นักวิจัยรายงานการเพิ่มองค์ประกอบอื่นซีลีเนียมใน GST เพื่อสร้างวัสดุเปลี่ยนเฟสใหม่ที่เรียกว่า GSST เมื่อพวกมันให้ความร้อนกับวัสดุใหม่โครงสร้างอะตอมของมันก็เปลี่ยนจากอะตอมที่ไม่เรียงตัวไม่เป็นระเบียบไปเป็นโครงสร้างผลึกที่เรียงลำดับกันมากขึ้น การเปลี่ยนเฟสนี้ยังเปลี่ยนวิธีที่แสงอินฟราเรดเดินทางผ่านวัสดุส่งผลต่อกำลังหักเหของแสง แต่มีผลกระทบต่อความโปร่งใสน้อยที่สุด

ทีมงานสงสัยว่าถ้าปรับแต่งได้ความสามารถในการเปลี่ยน GSST สำหรับการกำหนดทิศทางและโฟกัสแสงเฉพาะจุดขึ้นอยู่กับเฟส ในกรณีนี้วัสดุสามารถใช้เป็นเลนส์ที่ใช้งานได้โดยไม่ต้องใช้ชิ้นส่วนกลไกในการเปลี่ยนโฟกัส

“โดยทั่วไปแล้วเวลาที่พวกเขาทำออพติคอลอุปกรณ์จึงเป็นเรื่องยากมากที่จะปรับคุณลักษณะหลังการผลิต นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมการมีแพลตฟอร์มเช่นนี้จึงเป็นจอกศักดิ์สิทธิ์สำหรับวิศวกรด้านการมองเห็น ซึ่งช่วยให้เลนส์โลหะสามารถเปลี่ยนโฟกัสได้อย่างมีประสิทธิภาพในช่วงกว้าง”

Tian Gu เป็นนักวิทยาศาสตร์การวิจัยที่ห้องปฏิบัติการวิจัยวัสดุของสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์

ในเลนส์ธรรมดากระจกมีความโค้งอย่างแม่นยำดังนั้นลำแสงที่ตกกระทบจะหักเหจากเลนส์ในมุมที่ต่างกันโดยมาบรรจบกันที่จุดหนึ่งในระยะทางหนึ่งซึ่งเรียกว่าทางยาวโฟกัสของเลนส์ จากนั้นเลนส์สามารถสร้างภาพที่ชัดเจนของวัตถุใด ๆ ในระยะที่กำหนด ในการแสดงวัตถุที่มีความลึกต่างกันเลนส์จะต้องเคลื่อนไหวทางกายภาพ

แทนที่จะอาศัยแบบคงที่ความโค้งของวัสดุสำหรับแสงโดยตรงนักวิจัยพยายามเปลี่ยน metalens ที่ใช้ GSST เพื่อให้ความยาวโฟกัสเปลี่ยนไปตามเฟสของวัสดุ ในการศึกษาครั้งใหม่ของพวกเขาพวกเขาได้สร้างชั้น GSST ที่มีความหนา 1 ไมครอนและสร้างพื้นผิวแบบ metasurface โดยการแกะสลักชั้น GSST ลงบนโครงสร้างขนาดเล็กของรูปทรงต่างๆที่หักเหแสงในรูปแบบต่างๆ

พวกเขาทดสอบ metalens ใหม่โดยวางไว้บนเวทีและส่องสว่างด้วยลำแสงเลเซอร์ที่ปรับตามช่วงแสงอินฟราเรด ในระยะที่กำหนดไว้ด้านหน้าเลนส์พวกเขาวางวัตถุโปร่งใสซึ่งประกอบด้วยรูปแบบแถบแนวนอนและแนวตั้งสองด้านที่เรียกว่าแผนภาพความละเอียดซึ่งมักใช้ในการทดสอบระบบออปติก

เลนส์ในสถานะอสัณฐานเริ่มต้นให้ความคมชัดภาพของรูปแบบแรก จากนั้นกลุ่มจะทำให้เลนส์ร้อนขึ้นเพื่อเปลี่ยนวัสดุให้อยู่ในระยะผลึก หลังจากการเปลี่ยนแปลงและด้วยแหล่งความร้อนระยะไกลเลนส์ให้ภาพที่คมชัดเท่า ๆ กันซึ่งเป็นครั้งที่สองของแถบลายที่อยู่ห่างออกไปมากขึ้น

การทดลองแสดงให้เห็นว่า metalens สามารถทำได้เปลี่ยนโฟกัสอย่างแข็งขันโดยไม่มีการเคลื่อนไหวเชิงกลใด ๆ นักวิจัยกล่าวว่าเลนส์โลหะอาจทำด้วยเครื่องทำความร้อนขนาดเล็กในตัวเพื่อให้ความร้อนแก่วัสดุได้อย่างรวดเร็วในช่วงมิลลิวินาทีสั้น ๆ ด้วยการเปลี่ยนสภาพความร้อนพวกเขายังสามารถปรับให้เข้ากับสถานะกลางของวัสดุอื่น ๆ ได้โดยให้การปรับโฟกัสอย่างต่อเนื่อง

อ่านเพิ่มเติม:

แผนที่แรกที่แม่นยำของโลกถูกสร้างขึ้น คนอื่นผิดอะไร

ดูภาพถ่ายเนบิวล่าดาวเคราะห์ฮับเบิล

นักฟิสิกส์ได้สร้างอะนาล็อกของหลุมดำและยืนยันทฤษฎีของ Hawking นำไปสู่ที่ไหน?