Mindre och lättare objektiv med metalinser
Foto: John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences/Harvard University
Metaobjektiv blir mindre och lättare än konventionella objektiv. Dessutom blir det skarpare. Forskare har kommit en bit på vägen mot vad de kallar metaobjektiv genom att bygga extremt tunna linselement, metalinser. De är bara bråkdelar av millimeter tjocka.
I en artikel i vetenskapstidningen Science beskriver en grupp forskare hur de kan bryta ljus med vad de kallar "metasurfaces", alltså tunna lager av något som modifierar strålning. De kallar sin lösning "metalenses", metaobjektiv. De hävdar vidare att sådana linselement kan bli mycket intressanta för laserbaserad miroskopi, spektroskopi och för att skapa bilder. Själva rapporten kan du hitta här.
Det handlar lite förenklat om att du ändrar riktning på strålning, i det här fallet ljus, med hjälp av små, och då menar vi enormt små, plattor. Lite som "barn doors" på en studioblixt, fast många, många miljoner av dem i nanometerstorlek ordnade i noggranna mönster. Plattorna är byggda med titandioxid och fästs på ett tunt lager av genomskinlig kvarts. Hela linselementet blir som ett mycket tunt filter.
En av fördelarna med tekniken är att man kan styra mönstret hos de små plattorna, och därmed vilken effekt de har, med extremt hög noggrannhet. Därmed åstadkommer man linselement som inte bara är bråkdelar av millimeter tjocka men som dessutom mycket exakta och saknar många av de optiska fel som uppstår i traditionella linselement. Forskarna bakom rapporten i Science talar om 30 procent bättre skärpa än med konventionella linselement.
Till råga på allt är tillverkningsprocessen för de här linselementen relativt enkel. Du kan tillverka dem med samma produktionsteknik som när man gör vanliga elektronikkretsar, fast med bara ett enda lager där vanliga kretsar ofta har många lager. Jämfört med innehållet i elektronikkomponeter är de nanometerstora plattorna i sådana här linselement rätt stora och enkla att bygga upp med hög noggrannhet.
Den här rapporten har väckt intresse, BBC beskriver det som att platta objektiv kan innebära optisk revolution. Fotosajten Petapixels skriver optimistiskt att metaobjektiv är det nästa stora språnget inom optik.
Så frågan är om det du bör skynda dig att sälja dina stora tunga klumpiga objektiv på Blocket och snart ersätta dem med superskarpa objektiv med knappt några aberrationer, optiska fel, och som bara är några millimeter tjocka? Nej, inte på länge än. Det är oerhört intressant teknik som presenteras, men som vanligt finns det några stora 'men'. Vi pratade med den för många Fotosidan-läsare välbekante teknikexperten Joakim Bengtsson.
Hur ny är den här tekniken egentligen?
– Samma grundprinciper har faktiskt sedan länge använts för att koncentrera elektromagnetisk strålning med längre våglängder än synligt ljus. Allt från djup IR till radiovågor. Ett exempel är det vi kallar Yagiantenner - alltså en vanlig TV-antenn.
Varför har man inte använt tekniken för att bryta ljus tidigare?
– För synligt ljus med sina korta våglängder har hittills storleken varit ett problem. Det och bandbredden som krävs för att man inte ska få enorma problem med longitudinell kromatisk aberration. Avhandlingen som publicerades i Science handlar till viss del om hur man kombinerar olika mönster (av plattorna) som är anpassade för olika våglängder av ljus för att få bredbandig samfokusering - alltså att alla färger fokuseras i samma plan.
Så för varje våglängd av ljus behöver man lite olika mönster?
– Lite så ... Precis som med vanliga radioantenner måste längder och dimensioner på nanoplattorna anpassas efter vilken våglängd som man vill fånga eller styra. Synligt ljus sträcker sig ju från cirka 400 till 700 nanometer, ett ganska brett frekvensomfång. Restenergin bakom en vanlig TV-antenn, det den inte kan fånga upp, är ju inget vi direkt behöver tänka på. Den är en effektivitetsförlust, men stör inte signalen vi faktiskt ville fånga. Men all energi som mönstret i ett metaobjektiv inte kan styra blir till ofokuserat ljus skickat mot sensorn. Ungefär som att kleta vaselin över frontlinsen på att kameraobjektiv för att få en soft-effekt.
Kommer den här tekniken revolutionera optikbranschen och ge oss kompakta och superskarpa objektiv?
– Nu skall man alltid vara lite försiktig så man inte övertolkar sådana här artiklar. Ta en sådan sak som att de säger att systemet är bättre än refraktionsoptik (traditionell optik med glaselement). Vad de menar är att man kan uppnå högre absolut upplösning än med traditionell optik. Men för färgbilder görs detta på bekostnad av absolut kontrast, alltså kontrast vid frekvenser mot noll, grova detaljer. Typiskt har en bild fokuserad med sådan här teknik mycket lägre kontrast än en bild från ett bra glaselement. Men denna låga kontrast håller sig mer stabil mot höga frekvenser, man får alltså "god upplösning".
Sedan ger teknik som den här förluster. Typiskt ligger effektiviteten på ca 70 procent eller -2/3 EV-steg. Alltså ungefär som ljusförlusten i ett ganska dåligt zoomobjektiv från 80-talet med 15 linselement ... Den kvarvarande energin fasas antingen ut, eller så sprids den kaotiskt bakom linselementet - det är det här som ger lägre kontrasten. Det blir alltså en hög andel ströljus jämfört med ett glaselement.
När kan tekniken fungera som bäst?
– När man bara böjer ljuset lite, som i ett teleobjektiv, då får man bara lite ströljus och därmed mindre förluster. Man kan kombinera sådana här linselement med vanliga glaselement för att få önskad effekt. En väldigt positiv bieffekt är att man då kan styra brännviddens relation till våglängden genom att selektivt ändra mönsterkombinationerna. Det innebär att man kan invertera det traditionella glasets kromatiska aberration med ett sådant här linselement och få mycket lite färgaberrationer utan att använda svindyra FPL53-glas eller andra ED-/Fluorit-glas.
Så det kan bli intressant i teleobjektiv, hur fungerar det för vidvinkeobjektiv?
– Det är tyvärr där nackdelarna med den här tekniken blir som störst. Och det är ju synd eftersom de användningsområden där tekniken kunnat ge störst fördelar i form av litet format och lågt pris, som telefonmoduler, webbkameror och GoPro-varianter, är just där teknikens nackdelar märks som mest. Som tur är kanske dessa konsumenter också är de minst känsliga för att den totala kontrasten är lite lägre, och att den absoluta färgnoggrannheten måste begränsas - så vem vet?
De antyder ett sådana här linselement blir mer effektiva att tillverka, stämmer det?
– Det är nog både och. För bästa möjliga tillverkningsekonomi med wafer-baserade processer bör du helst ha stora volymer och så små fysiska storlekar. Pratar vi om objektiv till stora kameror handlar det ju tyvärr om relativt stora behandlingsytor och mycket små serier sett ur elektroniktillverkningssynpunkt. Men för mindre system? Om vi kan lära oss att arbeta runt lite av begränsningarna som finns i metoden, då finns det en stor potential. Det som arbetar mot detta är att optiksystem för små sensorer idag är väldigt billigt att upphandla på grund av den enorma volymen på tillverkningen för till exempel mobilkameror.
Men det är trots allt en intressant teknik?
- Det är ett enormt intressant nästa-steg att hålla koll på. Ungefär som nano-strukturer som ersätter traditionella antireflexbehandlingar på vanligt glas eller för att hydrofob-behandla ytor (göra dem vattenavstötande). Det kommer hända mycket här inom de närmsta åren.
Läs mer
4 Kommentarer
Logga in för att kommentera
Bengtssons pedagogik är suverän, det blir ju nästan som man tror sig förstå det hela.
Det hade varit trevligt (även om det här var nog rätt bra) med lite diagram för att förstå det hela bättre.
En fråga: Vad går gränsen i dessa sammanhang mellan stora och små ytor sett till tillverkningskostnad, för- & nackdelar och optiska nackdelar? Är tex en 1" sensor och dess optiska system stor eller liten?
Tänker mig att lagom kompakta kamera system borde kanske kunna använda båda fördelarna från metaobjektiv och traditionella objektiv.
Om vi över huvud taget ser metalinselement till entusiastkameror inom rimlig framtid så är det nog just kombinerade med traditionella linselement.
Där den här tekniken antagligen först kan bli attraktiv är ju där du har fysiskt små linselement och gärna någon slags smalbandig kamera, som en rörelsedetektor som enbart jobbar med IR eller någon tillämpning med laser som lasermikroskop. Eller alla de små "kameror" som känner av avstånd och form på saker i sin omgivning, som parkeringssensorer för bilar eller sensorer i en robot. Där behöver man ju inget stort färgspektrum.
Så "knappt några aberrationer" är fel, det är precis tvärt om, man kan få bättre skärpa men med massor med axiell CA.
Edit: Detta togs upp i intervjun.