Kolejny krok ku płaskim soczewkom i jeszcze bardziej…. płaskim smartfonom

Jaki jest obiektyw, a raczej pojedyncza soczewka każdy wie. Kształtem przypomina wypukły lub wklęsły menisk i ze względu na relatywnie sporą grubość wprowadza spore ograniczenia na rozmiary wykorzystujących je urządzeń. Powstają oczywiście obiektywy typu naleśnik, a smartfony wykorzystują miniaturowe moduły aparatu cyfrowego, ale to nie koniec tego na co pozwala znana nam fizyka. Kolejny krok to wykorzystanie metamateriałów.

Metamateriały - co to takiego?

Metamateriały to materiały, które nie występują w naturze, są wytworem naszej inżynierii, ale ich działanie związane jest z istniejącymi i znanymi nam regułami. Ponieważ przy ich konstruowaniu nie jesteśmy prawie niczym ograniczeni, możemy stworzyć materiał, który na przykład spełnia taką samą rolę jak soczewka, ale w praktyce jest płaski, a nie wypukły lub wklęsły. Kolejny krok to stworzenie płaskiego obiektywu.

By móc to sobie lepiej wyobrazić wyobraźmy sobie połączenie różnych elementów optycznych, o odmiennych współczynnikach ugięcia światła, które tak połączono by tworzyły płaską strukturę. Taki efekt można uzyskać bez odwoływania się do metamateriałów.

Metamateriały to dalsze rozwinięcie takiej koncepcji, które działa w nanoskali i wykorzystuje własności w tym przypadku światła.

Co osiągnęli harwardzcy inżynierowie?

Oddział Uniwersytety Harvarda, który zajmuje się inżynierią i naukami stosowanymi, już od dawna pracuje nad stworzeniem metasoczewki, z pomocą metamateriałów, która jest 100 tysięcy razy cieńsza od zwykłej soczewki. Jak duży byłby to postęp nietrudno sobie wyobrazić, jak nietrudno dostrzec jakie dziedziny elektroniki użytkowej mogłyby na tym zyskać.

Stworzenie metasoczewki nie jest trudne, trudność stanowi nadanie jej własności, które pozwolą wykorzystać ją jako coś więcej niż filtr, który przepuszcza tylko jedną długość światła. Jako element obiektywu taka soczewka nie ma sensu.

Widok metasoczewki w mikroskopie elektronowym, biały pasek ma długość 500 nm

Tutaj biały pasek ma 200 nm

Wspomniany w tytule kolejny krok, to zastosowanie zmiennych rozmiarów słupków dwutlenku tytanu, który stanowi budulec metasoczewki. Manipulując kształtem, wysokością i szerokością, tych słupków udało się rozszerzyć „czułość” metasoczewki na zakres światła od 490 nanometrów do 550 manometrów. To nadal nie jest idealne rozwiązanie, bo obejmuje tylko zakres kolorów od błękitu do czerwieni, ale wskazuje, że obrana droga jest słuszna. Gdy uda się rozszerzyć zakres do powiedzmy 750 nm (światło czerwone) to już będzie bardzo dobry wynik.

Nadzieja dla płaskiej elektroniki

Płaska elektronika z elementami optycznymi to nie tylko wymysł żądnych efektownych gadżetów ludzi. W parze z dorastającymi praktycznością do metamateriałów innymi podzespołami (bo na co nam płaski smartfon jak akumulator kiepski), płaskie urządzenia są bardzo praktyczne.

Smartfony, przeźroczyste rozwijane mapy zintegrowane z obiektywami, miniaturowe aparaty zintegrowane z soczewkami kontaktowymi, kaski VR, urządzenia diagnostyczne, to tylko kilka przykładów gdzie metasoczewki mogłyby znaleźć zastosowanie.

Źródło: Harvard, Inf. własna