Lenzen worden al eeuwenlang toegepast om kleine of verre details goed zichtbaar te maken. In camera’s bijvoorbeeld, en natuurlijk in je ogen. Wat je zichtbaar kunt maken met een lens, hangt af van de opening waardoor het licht kan vallen en de manier waarop licht dat onder een hoek binnenkomt gebroken wordt. Dat beperkt je gezichtsveld en het gebied waarin je scherp kunt zien.Om een goed beeld te maken van een voorwerp, waarin alle details scherp zijn, moet je daarom een combinatie maken van veel verschillende beelden, elk met hun eigen focus. Amerikaanse wetenschappers van de Princeton universiteit ontwikkelden een lens waarmee dat niet meer nodig is – alles wat je er door ziet, is scherpgesteld.

Jason Fleischer bij zijn opstelling. Het groene licht komt van de laser die de wetenschappers voor hun experiment gebruikten.

Frank Wojciechowski, Princeton University

De nieuwe lens is van een bijzonder materiaal gemaakt, waarin lichtstralen elkaar kunnen beïnvloeden. Dat noemen we een optisch niet-lineair materiaal. De brekingsindex van zo’n materiaal is niet constant, maar wordt beinvloed door het licht dat er doorheen loopt. Daardoor merken de lichtstralen elkaars aanwezigheid, en raken ze met elkaar vermengd. Zwakke en sterk afgebogen lichtstralen, die in een normale lens verloren zouden gaan, kunnen in deze lens informatie uitwisselen met sterke en recht invallende stralen. Zo bereikt alles uiteindelijk de camera. Dat heeft wel een prijs: een lichtsignaal dat door een optisch niet-lineaire lens gaat wordt sterk vervormd. De Amerikaanse natuurkundigen hebben nu een methode ontwikkeld om dat vervormde signaal met de computer terug te rekenen naar een bruikbaar plaatje.

Een lichtstraal die van het ene materiaal naar het andere gaat, wordt gebroken. Licht dat onder een heel grote hoek invalt kan zelfs compleet teruggekaatst worden, zoals lichtstraal 3 in plaatje a. Die hoek hangt af van het verschil tussen de brekingsindices van de twee materialen. Te sterk afgebogen lichtstralen komen soms ook niet op de lens terecht, zoals lichtstraal 2 in plaatje a. Om dit effect te verminderen, wordt vaak een laagje van een ander materiaal tussen het voorwerp en de lens geplaatst. Zo’n laagje – olie, bijvoorbeeld – zorgt ervoor dat de overgang tussen de materialen minder drastisch wordt. Zo komt het minder vaak voor dat lichtstralen bij een overgang tussen twee materialen terugkaatsen in plaats van doorgelaten worden. Met een optisch niet-lineair materiaal (plaatje b) kunnen ook de lichtstralen die langs de lens schieten worden opgevangen. Dat komt doordat ze informatie uitwisselen met stralen die de lens wel bereiken (zoals straal 3NL in het plaatje).

Fleischner et al., Princeton University

De optisch niet-lineaire lens en de terugrekenmethode maken het samen mogelijk om vanuit één foto van een voorwerp scherpe afbeeldingen van alle details uit te rekenen. Dat is handig, vooral voor wetenschappers die kwetsbare materialen zoals cellen willen bekijken. Om de kleinste details daarvan te zien, gebruiken ze nu vaak ultraviolet- of röntgenlicht. Daarmee is veel te zien, maar de straling beschadigt de zwakke biologische materialen. Zichtbaar licht is een stuk vriendelijker, en dankzij de nieuwe lens kunnen we straks zelfs binnenin een levende cel kijken. Ook voor tomografie, het maken van 3D-beelden van lichaamsdelen, kan de nieuwe lens veel betekenen. Nu worden enorm veel 2D-foto’s gecombineerd tot een driedimensionaal beeld, maar met de nieuwe lens kan één foto al genoeg informatie geven.

Bron:

Zie verder:

• Nieuwsbericht van Princeton University (Engels)
• Scherp zien onder water (Kennislinkartikel van LION)
• Platte lens van vloeibaar kristal (Kennislinkartikel)
• Superlens breekt verkeerd om (Kennislinkartikel)
• Kijken naar kromme oppervlakken (Kennislinkartikel)
• Brekingsindex (Wikipedia)