Platt objektiv
En platt lins är en lins vars platta form gör att den ger distorsionsfri avbildning, eventuellt med godtyckligt stora bländare . Termen används också för att hänvisa till andra linser som ger ett negativt brytningsindex . Platta linser kräver ett brytningsindex nära −1 över ett brett vinkelområde. På senare år har även platta linser baserade på metasytor demonstrerats.
Historia
Den ryske matematikern Victor Veselago förutspådde att ett material med samtidigt negativa elektriska och magnetiska polarisationssvar skulle ge ett negativt brytningsindex (ett isotropiskt brytningsindex på -1), ett "vänsterhänt" medium i vilket ljus fortplantar sig med motsatt fas och energihastigheter.
Den första, nära-infraröda, platta linsen tillkännagavs 2012 med nanostrukturerade antenner. Den följdes 2013 av en ultraviolett platt lins som använde en bimetallisk sandwich.
2014 tillkännagavs en platt lins som kombinerade kompositmetamaterial och transformationsoptik . Objektivet fungerar över ett brett frekvensområde.
Traditionella linser
Traditionella böjda glaslinser kan böja ljus som kommer från många vinklar för att hamna i samma brännpunkt på en bit fotografisk film eller en elektronisk sensor. Ljus som fångas vid kanterna på en krökt glaslins stämmer inte in korrekt med resten av ljuset, vilket skapar en suddig bild vid kanten av ramen. ( Petzval-fältkrökning och andra aberrationer.) För att korrigera detta använder linser extra glasbitar, vilket ger bulk, komplexitet och massa.
Metamaterial
Platta linser använder metamaterial , det vill säga elektromagnetiska strukturer konstruerade på subvåglängdsskalor för att framkalla skräddarsydda polarisationssvar.
Vänsterhänta svar implementeras vanligtvis med hjälp av resonanta metamaterial som består av periodiska arrayer av enhetsceller som innehåller induktiva-kapacitiva resonatorer och ledande ledningar. Negativa brytningsindex som är isotropa i två och tre dimensioner vid mikrovågsfrekvenser har uppnåtts i resonanta metamaterial med egenskaper i centimeterskala.
Metamaterial kan avbilda infraröda, synliga och senast ultravioletta våglängder.
Typer
Grafenoxid
Med framstegen inom mikro- och nanotillverkningstekniker har fortsatt miniatyrisering av konventionella optiska linser efterfrågats för applikationer som kommunikation, sensorer och datalagring. Specifikt behövs mindre och tunnare mikrolinser för subvåglängdsoptik eller nanooptik med små strukturer, för synliga och nära IR-applikationer. När avståndsskalan för optisk kommunikation krymper, krymper de nödvändiga funktionsstorlekarna för mikrolinser.
Grafenoxid tillhandahåller lösningar för att föra fram plana fokuseringsanordningar. Jättebrytningsindexmodifiering (så stor som 10^-1 eller en storleksordning större än tidigare material), mellan grafenoxid (GO) och reducerad grafenoxid (rGO) demonstrerades genom att manipulera dess syrehalt med hjälp av direkt laserskrivning ( DLW ) metod. Den totala linstjockleken kan potentiellt minskas med mer än tio gånger. Dessutom ökar den linjära optiska absorptionen av GO när reduktionen av GO fördjupas, vilket resulterar i transmissionskontrast mellan GO och rGO och därför tillhandahåller en amplitudmoduleringsmekanism . Dessutom är både brytningsindex och optisk absorption dispersionsfria över ett våglängdsområde från synligt till nära infrarött. GO-film erbjuder flexibel mönstringskapacitet genom att använda den masklösa DLW-metoden, vilket minskar tillverkningskomplexiteten.
En ny ultratunn plan lins på en GO-tunn film använde DLW-metoden. Dess fördel är att fasmodulering och amplitudmodulering kan uppnås samtidigt, vilket tillskrivs den gigantiska brytningsindexmoduleringen respektive den variabla linjära optiska absorptionen av GO under dess reduktionsprocess. På grund av den förbättrade vågfrontsformningsförmågan är linstjockleken subvåglängdsskala (~200 nm), vilket är tunnare än dielektriska linser (~ µm skala). Fokuseringsintensiteterna och brännvidden kan kontrolleras effektivt genom att variera laserstyrkan respektive linsstorleken. Genom att använda oljeimmersionsobjektiv med hög numerisk apertur (NA) under DLW-processen, har 300 nm tillverkningsfunktionsstorlek på GO-film realiserats, och därför nådde den minsta linsstorleken 4,6 µm i diameter, den minsta plana mikrolinsen. Detta kan endast realiseras med metasurface av FIB. [ förtydligande behövs ] Därefter kan brännvidden reduceras till så liten som 0,8 µm, vilket potentiellt skulle öka NA och fokuseringsupplösningen.
Helbredden vid halva maximum (FWHM) på 320 nm vid den minsta brännpunkten med användning av en 650 nm ingångsstråle har demonstrerats experimentellt, vilket motsvarar en effektiv NA på 1,24 (n=1,5). Dessutom har ultrabredbandsfokuseringsförmåga från 500 nm till så långt som 2 µm realiserats med denna plana lins.
Nanoantenner
Den första platta linsen använde en tunn skiva av kisel 60 nanometer tjock belagd med koncentriska ringar av v-formade guldnanoantenner för att producera fotografiska bilder. Antennerna bryter ljuset så att det hela hamnar på ett enda fokalplan, en så kallad artificiell brytningsprocess. Antennerna var omgivna av en ogenomskinlig silver/titan mask som reflekterade allt ljus som inte träffade antennerna. Variering av armlängder och vinkel gav det erforderliga intervallet av amplituder och faser. Fördelningen av ringarna styr brännvidden.
Brytningsvinkeln - mer vid kanterna än i mitten - styrs av antennernas form, storlek och orientering. Den kunde bara fokusera en enda nära-infraröd våglängd.
Nanoantenner introducerar en radiell fördelning av fasdiskontinuiteter, och genererar därigenom sfäriska vågfronter respektive icke-diffraktionsstrålar från Bessel . Simuleringar visar att sådana aberrationsfria konstruktioner är tillämpbara på linser med hög numerisk bländaröppning, såsom platta mikroskopobjektiv.
2015 använde en förfinad version en akromatisk metayta för att fokusera olika våglängder av ljus vid samma punkt, med ett dielektriskt material snarare än en metall. Detta förbättrar effektiviteten och kan ge en konsekvent effekt genom att fokusera röda, blå och gröna våglängder på samma punkt för att uppnå omedelbar färgkorrigering, vilket ger en färgbild. Den här linsen lider inte av de kromatiska avvikelser, eller färgkanter, som plågar brytningslinser. Som sådan kräver den inte de extra linselementen som traditionellt används för att kompensera för denna kromatiska dispersion.
Bimetallic smörgås
En platt bimetalllins är gjord av en sandwich av omväxlande nanometertjocka lager av silver och titandioxid . Den består av en stapel av starkt kopplade plasmoniska vågledare som upprätthåller bakåtgående vågor. Den uppvisar ett negativt brytningsindex oberoende av det inkommande ljusets färdvinkel. Vågledarna ger ett rundstrålande vänsterhänt svar för tvärgående magnetisk polarisation. Sändning genom metamaterialet kan slås på och av med högre frekvensljus som omkopplare, vilket gör att linsen kan fungera som en slutare utan rörliga delar.
Membran
Membranoptik använder plast istället för glas för att diffraktera snarare än att bryta eller reflektera ljus. Koncentriska mikroskopiska spår etsade in i plasten ger diffraktionen .
Glas överför ljus med 90 % effektivitet, medan membraneffektivitet varierar från 30-55 %. Membrantjockleken är i storleksordningen den för plastfolie.
Holografiska linser
Holografiska linser är gjorda av ett hologram av en konventionell lins. Den är platt och har eventuella nackdelar med originallinsen (aberrationer), plus nackdelarna med hologrammet (diffraktion).
Hologrammet för en matematisk lins [ förtydligande behövs ] är platt, och det har egenskaperna hos den matematiska linsen, men det har nackdelarna med hologrammet (diffraktion).
Geometriska faslinser
Geometriska faslinser, även kända som polarisationsriktade platta linser, tillverkas genom att deponera flytande kristallpolymer i ett mönster för att skapa en "holografiskt registrerad vågfrontsprofil". De uppvisar en positiv brännvidd för cirkulärt polariserat ljus i en riktning och en negativ brännvidd för cirkulärt polariserat ljus i en riktning.