Điện thoại, drone sắp có camera mỏng như sợi tóc

Các nhà khoa học vừa phát triển thiết kế thấu kính kim loại đa lớp mới, hứa hẹn tạo ra thế hệ quang học di động rẻ, nhẹ và mạnh mẽ cho điện thoại, drone và vệ tinh.

Thay vì chỉ dựa vào một lớp siêu vật liệu (metamaterial), nhóm nghiên cứu đã xếp chồng nhiều lớp, giúp khắc phục giới hạn cơ bản của thấu kính kim loại trong việc hội tụ nhiều bước sóng ánh sáng cùng lúc. 

Phương pháp dựa trên thuật toán đã tạo ra các cấu trúc nano tinh vi hình cỏ bốn lá, cánh quạt hay hình vuông, mang lại hiệu suất cao hơn, khả năng mở rộng và độc lập với phân cực ánh sáng.

Ông Joshua Jordaan, tác giả chính từ Đại học Quốc gia Úc và Trung tâm Xuất sắc ARC về Hệ quang meta chuyển đổi (TMOS), cho biết: "Thiết kế này có nhiều đặc điểm phù hợp với các thiết bị thực tiễn. Nó dễ chế tạo nhờ tỉ lệ hình học thấp, từng lớp có thể sản xuất riêng rồi ghép lại, không phụ thuộc phân cực và có tiềm năng mở rộng bằng công nghệ bán dẫn hiện có".

Thấu kính kim loại có độ dày chỉ bằng một phần nhỏ sợi tóc, mỏng hơn nhiều lần so với thấu kính quang học truyền thống. Chúng có thể tạo ra các tiêu cự mà thấu kính thông thường không đạt được. 

Ban đầu nhóm nghiên cứu thử hội tụ nhiều bước sóng bằng một lớp duy nhất nhưng vấp phải giới hạn vật lý. Chuyển sang cấu trúc đa lớp, họ sử dụng thuật toán tối ưu nghịch đảo để tìm ra các hình dạng siêu bề mặt phù hợp, dựa trên cộng hưởng điện từ kép (cộng hưởng Huygens), giúp tăng độ chính xác và dễ sản xuất hàng loạt.

Các cấu trúc nano này cao khoảng 300 nanomet, rộng 1.000 nanomet, đủ để tạo bản đồ pha quang học, cho phép hội tụ ánh sáng thành các mẫu tùy ý. Ông Jordaan cho biết: "Chúng tôi thậm chí có thể hội tụ các bước sóng khác nhau vào các vị trí khác nhau để tạo thành bộ định tuyến màu".

Tuy nhiên, cách tiếp cận đa lớp hiện chỉ khả thi với tối đa khoảng 5 bước sóng, do phải đảm bảo cấu trúc đủ lớn cho bước sóng dài nhất mà không gây nhiễu xạ ở bước sóng ngắn hơn.

Trong giới hạn đó, nhóm nghiên cứu tin rằng thấu kính kim loại sẽ mang lại lợi ích lớn cho các hệ thống hình ảnh di động. Ông Jordaan nhấn mạnh: "Thiết kế của chúng tôi lý tưởng cho drone hoặc vệ tinh quan sát Trái đất, vì chúng tôi đã cố gắng làm cho chúng nhỏ gọn và nhẹ nhất có thể".

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Optics Express.