[Nieuws en discussie] De toekomst van lenzen - Plat?

[Balance]

Zo nu en dan komt er best wat leuks uit Harvard; zoals dit: Platte lenzen.




Het idee dus is door een nanostructuur op het oppervlak van een platte 'lens' (lees: Plat stuk mineraal) aan te brengen licht anders afgebogen kan worden dan het normaal zou doen. Wat ze onder andere gedaan hebben is het oppervlak zo bewerkt dat de drie frequenties licht die wij voor camera's gebruiken allemaal exact hetzelfde brandpunt hebben. Daardoor kan je drie dikke, zware lens elementen vervangen door één element. Bovendien kan je ze (in camera's met een gefixeerde lens) veel compacter opstapelen als de lens zich intrekt. De lenzen kunnen dus niet alleen lichter en scherper worden, maar ook kleiner (in lengte).

Uiteraard gaan de toepassingen verder dan alleen fotografie, ook microscopen, (ruimte)telescopen, brildragers (Telezoom of wide-angle brillen) en virtual reality kan hier bijvoorbeeld van profiteren.

Dit topic
Er mag hier lekker gediscussieerd worden over alles wat je kan relateren aan deze platte lenzen, van de basale natuurkunde tot productie tot mogelijke designs tot nieuwe implementaties. Suggesties voor de OP zijn ook welkom.

Coverage

• Harvard Press Release
• DPReview
• Petapixel
• Gizmag
• Reddit

Harvard Research Paper

Abstract
The replacement of bulk refractive elements with flat ones enables the miniaturization of optical components required for integrated optical systems. This process comes with the limitation that planar optics suffers from large chromatic aberrations due to the dispersion of the phase accumulated by light during propagation. We show that this limitation can be overcome by compensating the dispersion of the propagation phase with the wavelength-dependent phase shift imparted by a metasurface. We demonstrate dispersion-free multi-wavelength dielectric metasurface deflectors in the near-infrared and design an achromatic flat lens in the same spectral region. Our design is based on low-loss coupled dielectric resonators, which introduce a dense spectrum of modes to enable dispersive phase compensation. Achromatic metasurfaces will find applications as multi-band-pass filters, lightweight collimators, and chromatically-corrected imaging lenses.

Concluding remarks
Metasurfaces have significant potential as flat, thin and lightweight optical components that can combine several functionalities into a single device, making them good candidates to augment conventional refractive or diffractive optics. The achromatic metasurface concept demonstrated here aims to solve one of the most critical limitations of flat optics: single wavelength operation. After introducing the basic concept of dispersion compensated phase, we demonstrated a planar beam deflector capable of steering light to the same direction at three different wavelengths, which can also be used as a single-layer multi-pass-band optical filter. Additionally we presented a design for an achromatic flat lens using the same metasurface building blocks. In the visible, this kind of lens could find application in digital cameras where a red-green-blue (RGB) filter is used to create a color image. Holographic 3D displays require an RGB coherent wavefront to reconstruct a 3D scene (3). The use of achromatic flat optics for the collimation of the backlight may help maintain the flatness of such screens. Achromatic metasurfaces for several discrete wavelengths could also be implemented in compact and integrated devices for second harmonic generation, four wave mixing (46), and other nonlinear processes. Our metasurface design is scalable from the ultraviolet (UV) to the terahertz (THz) and beyond, and can be realized with conventional fabrication approaches (e.g. one step of deposition, lithography, and etching). Finally we observe that the versatility in the choice of the wavelength-dependent phase allows for functionalities that are very different (even opposite) from the achromatic behavior, which is the primary goal of this work. For example an optical device with enhanced dispersion (e.g. a grating able to separate different colors further apart) can be useful for ultra-compact spectrometers.

[ Voor 57% gewijzigd door Balance op 11-03-2015 13:55 ]

[Ventieldopje]

Eigenlijk het zelfde wat een meerlaags (foveon) sensor doet maar dan op optisch gebied, in ieder geval het resultaat. Ben benieuwd hoe foto's er uit zien als ze met zo'n perfecte lens gemaakt worden. Ik kan alleen voorbeelden vinden van "binary zone plates" / fresnel lenzen maar dat is weer wat anders schijnbaar.

[Universal Creations]

Komt op mij over als een sterk verbeterde Fresnellens. Maar prima dat er nog altijd doorontwikkeld wordt op lenstechnologie.

[link0007]

Het viel te verwachten, gezien de vele ontwikkelingen in high tech optics. Achromatische lenzen, fresnel lenzen, lenzen met variabele brekingsindex.. Er wordt veel ontwikkeld en de ontwikkelingen zijn zeer breed toepasbaar.

Ik maak me overigens bij nanostructuren wel zorgen om de duurzaamheid van de coating. Krassen, delaminering, vuil, etc.. Wat voor invloed gaat dat hebben op de lens?

[Balance]

Universal Creations schreef op woensdag 11 maart 2015 @ 13:35:
Komt op mij over als een sterk verbeterde Fresnellens. Maar prima dat er nog altijd doorontwikkeld wordt op lenstechnologie.

Je zou het misschien qua effect kunnen vergelijken, maar qua technologie en natuurkunde niet. Er worden in de bovenstaande lens namelijk silicium 'antennes' gebruikt om het licht te laten buigen, in plaats van gebogen glas wat in Fresnellenzen wordt gebruikt. De onderliggende natuurkunde snap ik ook nog niet helemaal, maar hierboven staat nu een research paper van Harvard voor de geïnteresseerden

link0007 schreef op woensdag 11 maart 2015 @ 13:35:
...
Ik maak me overigens bij nanostructuren wel zorgen om de duurzaamheid van de coating. Krassen, delaminering, vuil, etc.. Wat voor invloed gaat dat hebben op de lens?

Ik gok dat in de meeste toepassingen deze lenzen zicht óf in een afgesloten ruimte bevinden (binnen in een lens/camera óf dat er een beschermlaag glas/saffier/ander mineraal over heen gaat. Maar een kras over zo'n soort lens is inderdaad funest.

---

Wat ik interessant vond aan de conclusie van het Research Paper:

and can be realized with conventional fabrication approaches (e.g. one step of deposition, lithography, and etching).

Dit betekend dat het geen heel-ver-weg-ooit-misschien technologie is, maar gewoon kan worden gemaakt met bestaande lithografie apparatuur.

Verwijderd schreef op woensdag 11 maart 2015 @ 14:36:
Waar concludeer je dat uit?

Uit het feit dat we al sinds het begintijd van de computerindustrie silicium lithograferen, etsen en deponeren, al onze computer chips worden er mee gemaakt.
Het zijn drie van de basisstappen in de bewerking van silicium.
Het enige wat we dus hoeven te ontwikkelen zijn nieuwe wafers die als lenselement dienst doen. Dus simpelweg een plat stuk glas met een laagje silicium erop.

Hoe duur het gaat worden geen idee, ik weet namelijk niet wat voor precisie ze nodig hebben (1 micrometer? 100 nanometer? 10 nanometer?), hoe lang het duurt om één wafer te belichten en hoe ingewikkeld de techniek en dus duur de apparatuur is. Maar het kan in ieder geval gemaakt worden, ook al kost het duizenden euro's per lens element.

[ Voor 23% gewijzigd door Balance op 11-03-2015 15:00 ]

[Verwijderd]

Balance schreef op woensdag 11 maart 2015 @ 14:06:
Wat ik interessant vond aan de conclusie van het Research Paper:
[...]

Dit betekend dat het geen heel-ver-weg-ooit-misschien technologie is, maar gewoon kan worden gemaakt met bestaande lithografie apparatuur.

Waar concludeer je dat uit?

[Ventieldopje]

Verwijderd schreef op woensdag 11 maart 2015 @ 14:36:
[...]

Waar concludeer je dat uit?

Omdat het er misschien staat? Maar zoals hij ook al zegt is dat proces al eeuwen in gebruik bij computer chips.

Krijgen we dan straks lenzen die met ASML machines zijn gemaakt? Zijn we ineens al dan niet indirect koploper in het fabriceren van lenzen

[Sodela]

Klinkt interessant! Nu nog kijken wat het met bokeh en dat soort dingen doet als het zover is.

[Balance]

Ventieldopje schreef op woensdag 11 maart 2015 @ 18:47:
...
Krijgen we dan straks lenzen die met ASML machines zijn gemaakt? Zijn we ineens al dan niet indirect koploper in het fabriceren van lenzen

Dat zou inderdaad heel goed kunnen! Ik weet alleen niet wat voor precisie ze nodig hebben voor de lithografie, dit zou echt alles van 10 micrometer tot 10 nanometer kunnen zijn. De golflengtes van rood, groen en blauw licht zijn respectievelijk zo rond de 620, 540 en 480 nanometer, dus ik vermoed dat ze aan een precisie van een paar honderd nanometer wel genoeg hebben. De kans is dus groot dat de machines van ASML overkill zijn, maar ze zouden er zeker voor gebruikt kunnen worden, en het is een flink grote nieuwe markt die kan ontstaan!

Sodela schreef op woensdag 11 maart 2015 @ 18:52:
Klinkt interessant! Nu nog kijken wat het met bokeh en dat soort dingen doet als het zover is.

Scherpstellen, apature en dus bokeh werkt nog steeds hetzelfde, in ieder geval bij deze implementatie. Het zou wel kunnen zijn dat snelle lenzen betaalbaarder en lichter worden, waardoor je nog meer bokeh voor hetzelfde gewicht/geld kan krijgen. Verder zijn de kleuren misschien nog iets beter, omdat deze lenzen dus ook out of focus geen CA hebben.