Onderzoekers maken dunnere en lichtere optische lens voor smartphones

Amerikaanse wetenschappers hebben een nieuw type lens ontwikkeld dat in vergelijking met reguliere lenzen voor smartphonecamera's veel lichter en dunner is. Dat zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van 'platte' smartphones zonder dat de camera of het camera-eiland uitsteekt.

Volgens een van de onderzoekers zijn conventionele smartphonecameralenzen een paar millimeter dik, terwijl de nieuw ontwikkelde lens een dikte van enkele micrometers heeft, 10μm om precies te zijn. Daarmee is de lens ongeveer duizend maal zo dun als de reguliere lenzen. Daarnaast is de lens van de onderzoekers naar eigen zeggen honderd keer zo licht. Deze voordelen hoeven volgens de onderzoekers niet gepaard te gaan met nadelen op het vlak van de prestaties.

Een conventionele gebogen lens vangt licht van buitenaf op, dat door de verschillende brekingsindices van lucht en glas meerdere keren wordt gebroken en dus van richting verandert. Zodoende valt het uiteindelijk op de camerasensor, waar het licht in elektriciteit wordt omgezet. De nieuwe lens bestaat uit een veelheid van microstructuren, waarbij elke individuele structuur het licht als het ware verstrooit; door lichtbreking wordt het van richting veranderd, zodat het op de sensor komt. Volgens de onderzoekers moeten deze microstructuren gezien worden als heel kleine pixels van een lens, of verstrooiingselementen. Op zichzelf zijn het geen lenzen maar allemaal gezamenlijk vormen ze een lens.

Het resultaat is een lens die plat en niet gebogen is. Een conventionele lens bestaat uit gebogen oppervlakken en wordt dikker met een toenemende resolutie. Daarvoor moet het licht onder grotere hoeken worden gebroken, wat een verlaging van de straal van de kromming vergt. Dat maakt de lens dikker en zwaarder. Door de toepassing van de microstructuren zou dat niet meer nodig zijn.

De onderzoekers stellen dat de door hen ontwikkelde lens kan leiden tot smartphonecamera's die niet uitsteken. Daarnaast is de dunnere lens geschikt voor infraroodopnames, waarbij via thermografie de temperatuur in kaart wordt gebracht. Dat maakt het mogelijk om naar hittebronnen te zoeken. Volgens de wetenschappers kan hun lens bijvoorbeeld worden gebruikt om lichtere militaire drones te maken die langer in de lucht kunnen blijven, waarbij ze nachtmissies kunnen uitvoeren of kunnen zoeken naar bosbranden en slachtoffers van natuurrampen. Daarnaast is hun ontwikkeling in potentie goed nieuws voor soldaten, die met veel lichtere nachtzichtkijkers op pad zouden kunnen.

In principe zou de nieuwe lens goedkoper geproduceerd kunnen worden, omdat het ontwerp het mogelijk maakt om ze te maken van plastic in plaats van glas. Het onderzoeksteam zegt dat het een fabricatieproces met een nieuwe type polymeer heeft ontwikkeld, waarbij algoritmen de geometrie van de microstructuren kunnen berekenen.

De wetenschappers hebben over de lens gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences, onder de titel Broadband lightweight flat lenses for long-wave infrared imaging. Het onderzoek is gefinancierd door de National Science Foundation en de U.S. Office of Naval Research.

Reacties (36)

[Balance]

Voor de duidelijkheid, dit is dus geen metalens. Dit is een Multilevel Diffractive Lens (MDL), de onderzoekers maken ook een vergelijking in hun paper:

Recently, we showed that, when appropriately designed, MDLs could perform better than metalenses, while being easier to fabricate. Such MDLs have been demonstrated in the terahertz and in the visible bands. By combining 2 MDLs, optical zoom has also been demonstrated. In fact, the MDLs require minimum feature width determined approximately by min{λ}/(2*NA), where min {λ} is the smallest wavelength in the operating spectral band and NA is the numerical aperture of the lens. This feature width is far larger than the corresponding value in the case of metalenses (which tend to be smaller than min{λ}/5). In addition, MDLs are naturally polarization-insensitive and can achieve high efficiencies over large bandwidths and at high NAs. The main drawback of MDLs is their somewhat complex multilevel geometry. However, with modern imprint lithography, such geometries can be manufactured at high volumes and at low costs.

[Reactie gewijzigd door Balance op 23 juli 2024 14:13]

[Rob vd Hoeven]

Zijn meer mensen mee bezig. In 2016 kwam ik dit artikel tegen:

Flat lens promises possible revolution in optics

[alex4allofyou]

Wat is dit voor magie?

[djexplo]

Ooit van een Fresnel Lens gehoord?, deze platte lens kwam je vroeger op elke school tegen in de overhead-projector.

Nadeel van dit type soort lensen voor camera doeleinden is dat je vaak de ringen terug ziet, en daarnaast dat het maak proces lang niet zo nauwkeurig is als een normale bolle lens slijpen en polijsten.

De dunste lens in infrarood voordat dit onderzoek gedaan was, was ook een fresnel lens :

An 80-μm-thick polymer Fresnel lens combined with a 755-μm-thick refractive silicon lens was used to report the thinnest LWIR lens

[Reactie gewijzigd door djexplo op 23 juli 2024 14:13]

[Geim]

Canon heeft de zogenaamde Diffractive optics lens, welke hiervan gebruik maakt. Ik heb een 70-300mm DO lens, die ongeveer de helft kleiner is dan traditioneel: https://www.dpreview.com/articles/5822837105/canon70300do

[djexplo]

Canon heeft de zogenaamde Diffractive optics lens, welke hiervan gebruik maakt.

Inderdaad, ik zie dat ze het effect van ringen in de foto ook hebben opgelost, door een dubbele fresnel lens te gebruiken

[StefanDingenout]

Ik heb zo'n lens nooit in een overhead projector gezien hoor. Dat was gewoon een lichtbak, een spiegeltje en een bolle lens in elke overhead projector die ik ooit gezien heb. Dus nee, zeker niet in elke school :-p

[Wisher]

Volgens mij zit de fresnel *IN* de lichtbak. Om de lichtbron egaal naar de bolle lens te sturen.

http://imagebank.osa.org/...GFvLTQzLTIxLTQxMjMtZzAwMg

[Reactie gewijzigd door Wisher op 23 juli 2024 14:13]

[teacup]

Dan had het in de overhead projector de rol van diffusor.

[StefanDingenout]

Oh dat zou kunnen inderdaad. Dat zou wellicht ook verklaren waarom je bij een overhead projector geen last van die ringen had.

[aldieaccounts]

Als ik de omschrijving hier lees lijkt het me geen fresnel lens, meer een soort diffraction-grating.

[Brousant]

Ik denk niet dat dit een fresnellens is, alleen al omdat dat al een heel oude techniek is (rond 1800) en dus niet snel een wetenschappelijke publicatie waard. Holografische optiek is iets fundamenteel anders.

[Brousant]

Afgaand op de beschrijving gaat het om een holografische lens. Zie https://en.wikipedia.org/wiki/Holographic_optical_element

[Luchtbakker]

Ik snap niet waarom je een dunnere lens zou willen ontwikkelen als de dikte van de telefoon tegenwoordig bepaald wordt door de accu.

[Paragon93]

Een groot voordeel zou kunnen zijn dat je een grotere sensor zou kunnen gebruiken met dezelfde totale dikte van lens+camera. Dit heeft uiteraard vele voordelen (minder ruis, betere resultaten met weinig licht, hogere megapixels zonder dat dit ten koste gaat van de kwaliteit etc.)
Daarnaast zijn er uiteraard de mogelijkheden die in het artikel beschreven worden, een warmtecamera op je telefoon zou bijvoorbeeld veel mogelijkheden kunnen bieden.

[Reactie gewijzigd door Paragon93 op 23 juli 2024 14:13]

[Septimamus]

Omdat het blijkbaar nog wel eens voorkomt dat, staat in het artikel, de camera's nog wel eens uitstaken bij een smartphone. Nou moet ik wel zeggen dat dit maar bij enkele smartphones is volgens mij als je zo de pricewatch doorgaat.

[brouwer.ralph]

De nieuwste telefoons van LG hebben geen uitstekende cameralenzen meer. Bijvoorbeeld LG G8 ThinQ. Voor de rest zijn er aardig wat telefoons, ook recente, met nog uitstekende camera's dus het is nog wel een aardig probleempje.

[Brousant]

Beter een uitstekende camera dan een middelmatige.

[batjes]

Staat in het artikel. Veel smartphones hebben de camera die uitsteekt aan de onder-/achterkant.

[deneys]

De lens is niet ontwikkeld voor smartphones maar zou kunnen gebruikt worden in smartphones.

[paltenburg]

Je kunt het ook anders bekijken: Met een dunnere lens, kun je weer grotere cameramodules maken (met betere lichteigenschappen enzo).

[teacup]

Ik vermoed dat deze lens vooral voor hele kleine drones is ontwikkeld. Het staat ook in het item:

Volgens de wetenschappers kan hun lens bijvoorbeeld worden gebruikt om lichtere militaire drones te maken die langer in de lucht kunnen blijven, waarbij ze nachtmissies kunnen uitvoeren of kunnen zoeken naar bosbranden en slachtoffers van natuurrampen.

Ook staat onderin het item dat het onderzoek is gefinancierd door het U.S. Office of Naval Research. Dat verteld iets over de drijfveer achter het onderzoek.

Gewoon beoogd voor militaire toepassingen lijkt me. Wat dat betreft ook niet laten afleiden door het verhaaltje over aardbevingen en natuurrampen, dat is een beetje window dressing.

Door de infraroodtoepassingen kan dit door kwaadwillenden ook verkeerd gebruikt worden, dus of dit zomaar de consumentenmarkt oprolt, dat betwijfel ik.

[Reactie gewijzigd door teacup op 23 juli 2024 14:13]

[multikoe]

Het gaat hier om een experimentele lens die gebruik kan worden voor Long Wave Infrared Imaging, dus niet iets dat je terug zult vinden in smartphones maar eerder in militaire of landbouwtoepassingen. Het is ook nog eens erg experimenteel, deels is dit onderzoek ondersteund met simulaties. Allemaal heel erg ver verwijderd van toepassingen als camera-lens in een smartphone.

[Verwijderd]

Het gaat hier om een experimentele lens die gebruik kan worden voor Long Wave Infrared Imaging, dus niet iets dat je terug zult vinden in smartphones maar eerder in militaire of landbouwtoepassingen.

Bel de onderzoekers dan even op want die vergissen zich blijkbaar want ze spreken wel degelijk over smartphones als een van de mogelijke toepassingen (https://unews.utah.edu/thin-to-win/). Iets wat Tweakers overneemt als: "De onderzoekers stellen dat de door hen ontwikkelde lens kan leiden tot smartphonecamera's die niet uitsteken."

[multikoe]

Uit het onderzoeksrapport (https://www.pnas.org/content/early/2019/10/04/1908447116):
"Our results firmly establish the potential for lightweight, ultrathin, broadband lenses for high-quality imaging in the LWIR band."

LWIR = Long Wave Infrared Radiation
Het hele onderzoek richt zich vervolgens op toepassingen in die frequentieband.

De conclusie, tenslotte, luid: "Reducing the weight, thickness, and number of optical elements will have important applications for all spectral bands. Here, we demonstrate that this can be achieved in the LWIR band using MDLs. We note that our MDLs are quite distinct from conventional diffractive lenses because of their achromaticity. Nevertheless, conventional diffractive lenses are designed for a specific wavelength, and their focusing performance drastically drops at wavelengths away from the design value"

De conclusie dat dit voor het zichtbare spectrum toepasbaar is en ook de toepassing in smartphones komt voor rekening van de schrijver van het artikel, ik teken dat nergens op direct van de onderzoekers.

Toevoeging: ik lees net de reactie van @Balance en hij quote een stuk dat ik over het hoofd had gezien. Kennelijk zijn MDL's wel degelijk toepasbaar in zichtbaar licht spectrums. I stand corrected.

[Reactie gewijzigd door multikoe op 23 juli 2024 14:13]

[CharlesND]

Bel de onderzoekers dan even op want die vergissen zich blijkbaar want ze spreken wel degelijk over smartphones als een van de mogelijke toepassingen (https://unews.utah.edu/thin-to-win/).

Niet nodig, de onderzoekers zijn al gebeld door de projectleider die financiering voor de verdere ontwikkeling moet zien te regelen. Die had het idee dat suggereren dat er veelbelovende toepassingen zijn voor de miljarden lensjes van de verschillende kamera's in mobieltjes waarschijnlijk meer geld oplevert dan de misschien realistischer toepassing in infraroodcamera's voor apparatuur voor defensie en landbouw...

[Paragon93]

GPS was ook ontwikkeld voor militaire doeleinden, nu is het te vinden in elke smartphone. Uiteraard gaan we dit in de komende 2 jaar niet zien in onze smartphones, maar op de langere termijn wellicht wel.

[Reactie gewijzigd door Paragon93 op 23 juli 2024 14:13]

[bigbadbull]

Such MDLs have been demonstrated in the terahertz and in the visible bands

dus kan ook voor een "normale" smartphone gebruikt worden

[trogdor]

Fresnel lens ?

[robert-jaap]

Nee, in de publicatie noemen ze het "thin Multilevel Diffractive Lenses (MDLs)"

[Theo]

Als dit klaar is voor massaproductie dan kan het en kleine revolutie teweeg brengen. Voor thermografie zijn heel dure lenzen nodig. Niet vanwege de vorm van de lens maar vanwege het materiaal (Germanium). Een thermische camera kan dus een heel stuk goedkoper worden wanneer deze lenzen gemeengoed worden.

Ook voor de gewone camera kan deze lens voor een revolutie zorgen. Een stevige zoomlens kun je -in theorie- met dit soort lenzen slechts een paar mm dik maken. Dan zijn opties als echt 10 maal inzoomen (of misschien nog wel meer) met een lenssamenstelling van een paar millimeter dik ineens mogelijk.

[BenVenNL]

Zo, nu 4 van deze op een schijfje. Voor de sensor laten draaien en je hebt de mogelijkheid van 4 verschillende lenzen.

[SuperDre]

Mooi hoor, maar de smartphone hoeft wat mij betreft niet dunner te worden, vind mijn OPPO Reno Z al dun genoeg (lichter zou nog wel mogen, maar dat zal vooral in de batterij zitten)..

[Zeerob]

Daarnaast is hun ontwikkeling in potentie goed nieuws voor soldaten, die met veel lichtere nachtzichtkijkers op pad zouden kunnen.
Komt wel een beetje overdreven over allemaal. Wat zullen die soldaten blij zijn dat ze nu een lens van maar 0.1 gram hoeven mee te zeulen, in plaats van een van 1.5 gram.