光学特性を製造後に調整できるアクティブメタサーフェスは、近年関心のある分野になっています。ただし、これまでの取り組みでは、特に非機械的デバイスの場合、チューニング範囲、光学品質、および効率において依然として厳しいパフォーマンス制限に直面しています。
マサチューセッツ工科大学のエンジニアは、かさばる駆動メカニズムを使用せずに、カメラ、顕微鏡、望遠鏡、その他のイメージングシステムのレンズのより効率的な焦点合わせを提供できる適応型「金属レンズ」を開発しました。
2つの光屈折研磨面を備えた透明ガラスは、何世紀にもわたってほとんどの光学システムの基礎となっています。レンズ表面の凹面または凸面の程度により、小さな細胞から遠く離れた銀河まで、あらゆる種類の物体を見ることができます。ただし、あらゆるスケールのオブジェクトの鮮明な画像を取得するには、カメラ、顕微鏡、望遠鏡など、多くのスペースを占有し、デバイスを重くする追加のメカニズムを使用して、レンズの物理的な動きに頼る必要があります。
研究者たちは、材料の表面に、メタサーフェスとして一緒に機能し、独自の方法で光を屈折または反射する、小さく正確にパターン化された構造を彫刻しました。材料特性が変化すると、それに応じてメタサーフェスの光学機能も変化します。この場合、材料が室温にあるとき、メタサーフェスは光の焦点を合わせて、特定の距離にあるオブジェクトの鮮明な画像を作成します。材料を加熱した後、その原子構造が変化し、それに応じて、メタサーフェスは光をリダイレクトして、より遠いオブジェクトに焦点を合わせます。
したがって、新しいアクティブメタルレンズは、かさばる機械的要素を必要とせずに焦点を調整することができます。現在赤外線イメージングを可能にしている新しい設計により、ドローン用の小型赤外線カメラ、携帯電話用の超小型赤外線カメラ、薄型暗視ゴーグルなど、より柔軟な光学デバイスが可能になる可能性があります。
相転移
新しいレンズは、書き換え可能なCDやDVDで一般的に使用されている素材をカスタマイズしてチームが作成した位相シフト素材で作られています。GSTと呼ばれ、ゲルマニウム、アンチモン、テルルで構成されており、レーザーパルスで加熱すると内部構造が結晶からアモルファス、透明から不透明に変化します。可逆的な光学記録媒体の作成を可能にするのは、これらの相転移です。このメカニズムにより、CDに保存されているデータの書き込み、消去、および上書きが可能になります。
材料のアモルファスおよび結晶状態における焦点距離の変化
次に、エンジニアはGSTの構造にセレンを追加し、GSSTを作成しました。更新されたバージョンでは、相転移はメタマテリアルと赤外光の相互作用にも影響を及ぼし、表面の透明度への影響を最小限に抑えて反射力を変換しました。GSSTの異常な特性を観察して、研究者たちは、位相に応じて焦点距離を適応させることができるアクティブな「メタレン」を作成するためにそれを適応させることができると考えました。
顕微鏡下でのGSST
実験室でのテストでは、エンジニアはわずか1ミクロンの厚さのGSSTの層を作成し、さまざまな形態の材料で実験して、温度に応じて光との相互作用の方法を変えることができる最適なオプションを見つけました。GSSTの「金属レンズ」は、赤外線範囲の光を放射するように調整されたレーザーを備えたテストリグに配置されました。設置場所から少し離れた場所に、エンジニアは水平および垂直の高コントラストストロークが適用された透明なプレートを配置しました。これは、デジタルオプトエレクトロニクスシステムの解像度を評価するためのいわゆるテストオブジェクトです。
初期のアモルファス状態では、「金属」は最も近いプレートに簡単に焦点を合わせました。その後、科学者たちはメタマテリアルを加熱して、透明な結晶構造を獲得し、より離れたテストオブジェクトに焦点を合わせました。これまでのところ、珍しい素材は、機械的なドライブを使用せずに、2つの被写界深度で鮮明な画像をキャプチャできることを示しています。将来的には、研究者たちは「メタレンズ」の集束能力を高めるために、GSST材料の相の範囲を拡大することを計画しています。エンジニアの1人は、同様の材料の相を調理ステーキと変更するプロセスを比較しました。肉は生または揚げ物だけでなく、多くの中間状態があります-あなたはそれらを達成し、結果を修正する方法を見つける必要があります。
実験によると、金属レンズは機械的な動きなしに積極的に焦点を変えることができます。研究者たちは、金属レンズは、短いミリ秒のパルスで材料を迅速に加熱するために、内蔵のマイクロヒーターで作られる可能性があると述べています。加熱条件を変更することで、他の素材の中間状態に合わせることができ、継続的なフォーカス調整が可能になります。
詳細： www.nature.com/articles/s41467-021-21440-9