Wetenschappers aan de University of Utah in de Verenigde Staten hebben een extreem dunne lens ontworpen van doorzichtig kunststof. De ontelbare microstructuurtjes die het licht bundelen, maken het grote verschil met traditionele lenzen, die dat doen door hun kromming. De lens is interessant voor drones en voor nachtkijkers van militairen, omdat het een hoop gewicht kan schelen.  

De details van de lens staan beschreven in een artikel dat eerder deze week verscheen in het wetenschappelijke tijdschrift PNAS.
 

Lensjes van glas

Een voorbeeld van een Fresnel-lens.
Illustratie Philip Bosma / CC BY-SA 3.0

In mobiele telefoons zit tegenwoordig minstens één camera, en vaak zelfs meerdere. De meeste lensjes die hier in zitten, zijn nog gemaakt van glas. Bij het maken van een foto valt het licht van een voorwerp (of persoon) op de lens. De lens bundelt het licht op de beeldsensor.

Het is al veel langer bekend dat je ook lenswerking kunt krijgen door een bepaalde microstructuur in het transparante materiaal van de lens aan te brengen. Een bekend voorbeeld daarvan is de Fresnellens, waarbij het gekromde oppervlak van de lens is opgedeeld in ringen. Daardoor kan een Fresnellens veel dunner zijn dan een traditionele lens, wat ook al zorgt voor gewichtsbesparing.
 

Fijne microstructuren

De laatste jaren komen wetenschappers echter met weer een andere aanpak voor dunne lenzen. Ze maken zogeheten meta-lenzen (met een verwijzing naar metamaterialen), die bestaan uit ontelbare fijne microstructuren die elk apart het licht verstrooien dat erop valt. Het resultaat is dat zo’n meta-lens een keurige afbeelding kan maken van een voorwerp.

De nieuwe lens van de University of Utah valt in deze categorie. Het lensje is maar 10 micrometer dik (bestaande lenzen in smartphones zijn vaak wel 2 millimeter dik) en weegt 100 keer minder dan gewone lensjes van glas. De lens is bedoeld voor het afbeelden van infraroodlicht met een golflengte van tussen de 8 en 12 micrometer.
 

'Pixels van een lens'

De lens bevat ontelbare minuscule structuren, die elk voor zich een invallend lichtbundeltje afbeelden op de beeldsensor. ‘Je kunt deze microstructuren zien als de zeer kleine pixels van een lens’, zegt universitair hoofddocent Rajesh Menon (de man op de foto) van de University of Utah in een persbericht. ‘Afzonderlijk van elkaar vertonen ze geen lenswerking, maar allemaal samen werken ze wel als een lens.’

De nieuwe lens heeft een gezichtsveld van 35 graden en een hoekresolutie van 0,013 graden, zo blijkt uit experimenten. Dat laatste wil zeggen dat de lens details kan afbeelden die zo smal zijn als een hoek van 0,013 graden.

 

Lastig te zien, maar de zeer smalle ringen op het grijze schijfje bevatten de microstructuren die het licht breken.


Toepassingen

Over toepassingen hebben de onderzoekers ook al nagedacht. ‘Voor uiteenlopende sectoren is het maken van beelden in het infrarood-spectrum van belang; van defensie tot geneeskunde tot landbouw’, schrijven ze in hun artikel in PNAS. ‘Om goed licht door te laten, hadden we tot nu toe lenzen nodig van silicium of germanium. Maar dat maakt lenzen voor veel toepassingen te zwaar. Zware lenzen zouden bijvoorbeeld het bereik van een drone te veel beperken.’

Een andere toepassing is de nachtkijker die militairen vaak dragen en die gebruik maakt van infraroodlicht. De zware elektronica maakt de soldaat minder wendbaar en kan zelfs leiden tot blessures aan het hoofd of de nek. Alle innovaties die de nachtkijker lichter kunnen maken, zijn dus meer dan welkom.
 

Beeldmateriaal University of Utah