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Das neue flache Objektiv ermöglicht fokusfreie Kameras mit drastisch reduziertem Gewicht, Komplexität und Kosten

Flache Linse

Mit einem einzigen Objektiv, das etwa einen Tausendstel Zoll dick ist, haben Forscher eine Kamera entwickelt, die keine Fokussierung erfordert. Das neue Objektiv könnte das Gewicht, die Komplexität und die Kosten von Kameras und anderen Bildgebungssystemen drastisch reduzieren und gleichzeitig deren Funktionalität erhöhen. Bildnachweis: Rajesh Menon, Universität von Utah

Neue Technologie, die das Gewicht, die Komplexität und die Kosten von Kameras drastisch reduzieren und gleichzeitig die Funktionalität erhöhen soll.

Mit einem einzigen Objektiv, das etwa einen Tausendstel Zoll dick ist, haben Forscher eine Kamera entwickelt, die keine Fokussierung erfordert. Die Technologie bietet erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Kameras wie den meisten Smartphones, für die mehrere Objektive erforderlich sind, um qualitativ hochwertige, fokussierte Bilder zu erstellen.

“Unsere Flachobjektive können das Gewicht, die Komplexität und die Kosten von Kameras und anderen Bildgebungssystemen drastisch reduzieren und gleichzeitig deren Funktionalität verbessern”, sagte Rajesh Menon, Leiter des Forschungsteams an der Universität von Utah. “Eine solche Optik könnte dünnere Smartphone-Kameras, verbesserte und kleinere Kameras für die biomedizinische Bildgebung wie Endoskopie und kompaktere Kameras für Automobile ermöglichen.”

Im OpticaMenon und Kollegen, das Journal der Optical Society (OSA) für hochwirksame Forschung, beschreiben ihre neue flache Linse und zeigen, dass sie den Fokus für Objekte beibehalten kann, die etwa 6 Meter voneinander entfernt sind. Flache Linsen verwenden Nanostrukturen, die auf einer flachen Oberfläche strukturiert sind, anstatt sperriges Glas oder Kunststoff, um die wichtigen optischen Eigenschaften zu erzielen, die die Art und Weise steuern, wie sich Licht bewegt.

“Dieses neue Objektiv könnte viele interessante Anwendungen außerhalb der Fotografie haben, beispielsweise die Schaffung einer hocheffizienten Beleuchtung für LIDAR, die für viele autonome Systeme, einschließlich selbstfahrender Autos, von entscheidender Bedeutung ist”, sagte Menon.

Die Forscher sagen, dass der von ihnen verwendete Designansatz erweitert werden könnte, um optische Komponenten mit einer beliebigen Anzahl von Eigenschaften wie extremer Bandbreite, einfacherer Herstellbarkeit oder geringeren Kosten zu schaffen.

Das Lehrbuch hinterfragen

Herkömmliche Kameras, ob in Smartphones oder für die Mikroskopie, müssen fokussiert werden, um sicherzustellen, dass die Details eines Objekts scharf sind. Wenn sich mehrere Objekte in unterschiedlichen Abständen von der Kamera befinden, muss jedes Objekt separat fokussiert werden.

“Das neue Objektiv macht das Fokussieren überflüssig und ermöglicht es jeder Kamera, alle Objekte gleichzeitig scharf zu halten”, sagte Menon. „Herkömmliche Kameras verwenden auch mehrere Objektive, um verschiedene Lichtfarben gleichzeitig scharf zu halten. Da unser Design sehr allgemein gehalten ist, können wir damit auch ein einziges flaches Objektiv erstellen, das alle Lichtfarben fokussiert und die Kameras noch weiter vereinfacht. “

Um Licht zu fokussieren, wandeln herkömmliche Linsen parallele Lichtwellen in sphärische Wellen um, die zu einem Brennpunkt konvergieren. Bei einem wichtigen Durchbruch stellten die Forscher fest, dass Wellen mit anderen Formen einen ähnlichen Effekt erzeugen und die Anzahl möglicher Linsendesigns erheblich erhöhen können.

“Im krassen Gegensatz zu dem, was in Optiklehrbüchern gelehrt wird, haben unsere Untersuchungen gezeigt, dass es mehr als eine Möglichkeit gibt, die Lichtdurchlässigkeit durch eine ideale Linse zu beeinflussen – ein Konzept, das als Pupillenfunktion bekannt ist”, sagte Menon. “Dies eröffnete der Linsenpupillenfunktion im Wesentlichen unendliche Möglichkeiten, und wir suchten diese Möglichkeiten nach einer, die eine extreme Schärfentiefe erreichte.”

Experimentelle Bestätigung

Nachdem die Forscher das beste Linsendesign für die Tiefenschärfe ausgewählt hatten, verwendeten sie Nanofabrikationstechniken, um einen Prototyp einer Linse herzustellen. Experimente bestätigten, dass die neue Linse die erwartete Leistung erbrachte und eine um mehrere Größenordnungen größere Schärfentiefe erreichte als eine äquivalente herkömmliche Linse.

Die Forscher demonstrierten die neue Linse mit Infrarotlicht und relativ geringer numerischer Apertur – eine Zahl, die den Winkelbereich charakterisiert, über den die Linse Licht aufnehmen oder emittieren kann. Sie planen, das Objektiv auf größere numerische Aperturen auszudehnen und es mit dem gesamten sichtbaren Lichtspektrum zu verwenden. Vor der Vermarktung sind auch Arbeiten erforderlich, um sicherzustellen, dass die Linsen in Massenproduktion hergestellt werden können.

“Diese Forschung ist ein gutes Beispiel dafür, wie das Aufgeben traditioneller Begriffe Geräte ermöglichen kann, die bisher als unmöglich galten”, sagte Menon. “Es ist eine gute Erinnerung daran, Diktate aus der Vergangenheit in Frage zu stellen.”

Referenz: „Bildgebung mit extremer Tiefenschärfe mit einer flachen Linse“ von Sourangsu Banerji, Monjurul Meem, Apratim Majumder, Berardi Sensale-Rodriguez und Rajesh Menon, 12. März 2020, Optica.
DOI: 10.1364 / OPTICA.384164