پژوهشگران موفق به طراحی لنزهای فلزی چندلایه شدهاند که نویدبخش تحول در دوربین پهپادها و تلفنهای هوشمند است.
به گزارش تکناک، بر اساس گزارش مرکز ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS) و دانشگاه ملی استرالیا (ANU)، این طراحی با رویهمگذاری لایههایی از متامواد شکل گرفته است. این لایهها توانایی تمرکز طولموجهای مختلف از منبع نور بدون قطبش را در سطحی وسیع فراهم میکنند؛ قابلیتی که یکی از بزرگترین چالشهای لنزهای فلزی سنتی به حساب میآید.
جاشوا جردان، نویسنده اصلی مقاله و دانشجوی دکتری در مدرسه فیزیک ANU توضیح داد: «طراحی ما ویژگیهای مهمی دارد که آن را برای استفاده عملی مناسب میسازد. این لنزها بهراحتی تولید میشوند، چرا که نسبت ارتفاع به عرض کمی دارند و هر لایه به طور جداگانه ساخته و سپس بستهبندی میشود. همچنین نسبت به قطبش نور بیتفاوت هستند و قابلیت مقیاسپذیری از طریق پلتفرمهای بالغ نانوساخت نیمهرسانا را دارند.»
این پروژه با همکاری دانشگاه فریدریش شیلر ینا در آلمان و در قالب برنامه بینالمللی Meta-ACTIVE انجام شد. نتایج آن نیز در نشریه Optics Express منتشر شده است.
لنزهای فلزی تنها کسری از ضخامت یک تار مو هستند و بسیار باریکتر از لنزهای معمولی به حساب میآیند. این لنزها قابلیتهایی مانند کانونهای خاص و فواصل کانونی غیرقابل دستیابی در طراحیهای کلاسیک اپتیکی دارند. به گفته جردان، تیم پژوهشی ابتدا تلاش کرد با یک لایه به تمرکز چند طولموج برسد، اما محدودیتهای فیزیکی مانع شد.
وی تصریح کرد: «میزان تأخیر گروهی در یک لایه متاسطح، محدودیتهای فیزیکی دارد و این محدودیتها سقفی برای قطر، عدد اپتیکی و پهنای باند عملیاتی ایجاد میکنند. برای رسیدن به بازه طولموج مورد نیاز، لنز تکلایه یا باید قطری بسیار کوچک میداشت، که هدف طراحی را بیاثر میکرد، یا عدد اپتیکی بسیار پایینی میداشت، که تمرکز نور را تقریباً ناممکن میساخت. بنابراین مجبور شدیم به ساختار پیچیدهتر چندلایه روی بیاوریم.»
تیم پژوهشی پس از تغییر رویکرد، از الگوریتم طراحی معکوس و بهینهسازی شکلی بهره برد تا هندسههای مناسب متاسطوح را بیابد. این رویکرد امکان انعطافپذیری بالا و پارامترسازی گسترده را فراهم کرد. هدف این بود که ساختارهایی با رزونانسهای همزمان الکتریکی و مغناطیسی – موسوم به رزونانسهای هوگنس – طراحی شوند. به این ترتیب، لنزهای فلزی چندلایه جدید نسبت به قطبش نور حساس نبودند و خطاهای تولید را بهتر تحمل میکردند، که گامی کلیدی برای مقیاسپذیری صنعتی به حساب میآید.
الگوریتم به اشکال شگفتانگیزی مانند مربعهای گرد، شبدرهای چهارپر و پروانهای دست یافت. این اجزای کوچک که حدود ۳۰۰ نانومتر ارتفاع و ۱۰۰۰ نانومتر عرض داشتند، کل بازه تغییر فاز از صفر تا ۲π را پوشش میدادند. این قابلیت، طراحی نقشههای گرادیان فاز برای الگوهای کانونی دلخواه را ممکن کرد. با وجود این پیشرفتها، لنزهای چندلایه تنها قادر به تمرکز همزمان در حداکثر پنج طولموج هستند. دلیل این محدودیت آن است که ساختار باید بهاندازه کافی بزرگ باشد تا در طولانیترین طولموجها رزونانس ایجاد کند، بدون آنکه پراش در طولموجهای کوتاهتر رخ دهد.
با وجود این، جردان تأکید کرد که توانایی طراحی لنزهایی برای جمعآوری نور بیشتر، نقطه عطفی در فناوری تصویربرداری قابل حمل خواهد بود. وی تصریح کرد: «لنزهای فلزی چندلایه طراحیشده ما برای پهپادها یا ماهوارههای رصد زمین بسیار مناسب هستند، چرا که تلاش کردهایم آنها را تا حد ممکن کوچک و سبک بسازیم.»
این فناوری میتواند مسیر توسعه دوربینهای آینده را تغییر دهد و نسل تازهای از ابزارهای نوری کوچک، ارزان و پرقدرت را برای کاربردهای صنعتی، تصویربرداری محیطی و حتی دستگاههای روزمره مانند گوشیهای هوشمند به همراه داشته باشد.
