Ống kính camera mới nhỏ hơn sợi tóc

Bằng cách xếp chồng các lớp siêu vật liệu thay vì chỉ dựa vào một lớp duy nhất, nhóm nghiên cứu đã vượt qua những giới hạn cơ bản trong việc hội tụ nhiều bước sóng ánh sáng. Phương pháp tiếp cận dựa trên thuật toán đã tạo ra các cấu trúc nano phức tạp có hình dạng như cỏ ba lá, cánh quạt và hình vuông, cho phép cải thiện hiệu suất, khả năng mở rộng và độc lập về phân cực.

Tác giả đầu tiên của bài báo báo cáo về thiết kế này, ông Joshua Jordaan, từ Trường Nghiên cứu Vật lý tại Đại học Quốc gia Úc và Trung tâm Xuất sắc ARC về Hệ thống Siêu quang học Chuyển đổi (TMOS), cho biết thiết kế này sử dụng các lớp siêu vật liệu để đồng thời hội tụ một loạt bước sóng từ một nguồn không phân cực và trên một đường kính lớn, khắc phục được hạn chế lớn của ống kính siêu vật liệu.

Ông Jordaan cho biết: "Nó dễ sản xuất vì có tỷ lệ khung hình thấp và mỗi lớp có thể được chế tạo riêng lẻ rồi đóng gói lại với nhau. Nó cũng không nhạy cảm với phân cực và có khả năng mở rộng quy mô thông qua các nền tảng chế tạo nano bán dẫn trưởng thành".

Dự án được dẫn dắt bởi các nhà nghiên cứu từ Đại học Friedrich Schiller Jena, Đức, trong khuôn khổ Nhóm Đào tạo Nghiên cứu Quốc tế Meta-ACTIVE. Bài báo cáo về thiết kế của họ được công bố trên tạp chí Optics Express.

Ống kính nhỏ hơn sợi tóc

Ống kính kim loại có độ dày chỉ bằng một phần nhỏ bề rộng của sợi tóc, mỏng hơn rất nhiều lần so với ống kính thông thường. Chúng có thể được thiết kế để sở hữu những đặc tính như tiêu cự mà quang học thông thường không thể đạt được.

Ông Jordaan cho biết ban đầu nhóm nghiên cứu đã cố gắng tập trung nhiều bước sóng bằng một lớp duy nhất, nhưng họ gặp phải một số hạn chế cơ bản.

Ông cho biết: "Để hoạt động ở dải bước sóng mà chúng tôi cần, một lớp đơn lẻ sẽ phải có đường kính rất nhỏ, điều này sẽ không đáp ứng được mục đích thiết kế, hoặc về cơ bản phải có khẩu độ số quá thấp đến mức hầu như không thể hội tụ ánh sáng. Chúng tôi nhận ra rằng chúng tôi cần một cấu trúc phức tạp hơn, từ đó dẫn đến phương pháp tiếp cận nhiều lớp".

Bằng cách sử dụng cộng hưởng, nhóm đã có thể cải tiến các thiết kế trước đó của các nhóm khác và phát triển các thiết kế kim loại không phụ thuộc vào phân cực, đồng thời có dung sai lớn hơn về thông số kỹ thuật sản xuất - yếu tố then chốt trong nỗ lực mở rộng quy mô sản xuất lên quy mô công nghiệp.

Quy trình tối ưu hóa đã đưa ra một thư viện các thành phần siêu vật liệu với nhiều hình dạng đáng ngạc nhiên, chẳng hạn như hình vuông bo tròn, hình cỏ bốn lá và hình cánh quạt.

Những hình dạng nhỏ bé này, cao khoảng 300 nm và rộng 1000 nm, bao phủ toàn bộ dải dịch pha, từ 0 đến 2 pi, cho phép nhóm nghiên cứu tạo ra bản đồ độ dốc pha để đạt được bất kỳ mẫu lấy nét tùy ý nào.

Nhà khoa học Jordaan cho biết có thể chế tạo ống kính siêu nhỏ có khả năng thu thập nhiều ánh sáng sẽ là một lợi ích cho các hệ thống hình ảnh di động trong tương lai.

Ông cho biết: "Các ống kính siêu nhỏ mà chúng tôi thiết kế sẽ lý tưởng cho máy bay không người lái hoặc vệ tinh quan sát trái đất, vì chúng tôi đã cố gắng làm cho chúng nhỏ và nhẹ nhất có thể".