Новые ультратонкие линзы помогут избежать хроматических аберраций

Новые ультратонкие линзы помогут избежать хроматических аберраций

Новая ультратонкая линза Раджеша Менона
(фото Imperial College London).

Исследователи из США разработали новый тип плоской ультратонкой линзы, которая позволяет избавиться от хроматических аберраций.

Объективы фто- и видеокамер, очки и другие предметы оптики традиционно работают благодаря эффекту преломления света: изогнутые линзы меняют ход световых лучей. Оптическая мощность обычной линзы – то, насколько сильно она преломляет свет – пропорциональна её толщине, а это значит, что обычная рефракционная линза не может быть очень тонкой. Такие линзы также плохи тем, что образуют хроматическую дисперсию, при которой фокусные расстояния не совпадают для лучей света с разными длинами волн (света разных цветов). Это становится причиной снижения чёткости изображения, а иногда даже приводит к появлению на нём цветных контуров, полос или пятен. Система из нескольких линз может минимизировать эту дисперсию, однако это добавляет дополнительный вес, толщину и стоимость аппарату.

Ультратонкие дифракционные линзы перенаправляют свет, используя интерференцию между световыми волнами, проходящими через несколько щелей в тонком непрозрачном материале. Такие линзы могут быть плоскими и лёгкими, в отличие от оптики, использующей преломление. Однако дифракционные линзы гораздо в большей степени подвержены возникновению дисперсии.

Над разработкой новых тонких линз уже давно трудилась команда Федерико Капассо (Federico Capasso) из Гарвардского университета: в 2015 году учёные продемонстрировали, что может быть создана плоская линза с фокусировкой всех цветов широкополосного света в одной фокальной плоскости. Затем группа представила устройство, которое сосредотачивало широкополосный инфракрасный свет на одной плоскости с помощью тонкого метапокрытия.

Данное устройство использовало диэлектрические резонаторы, которые взаимодействуют непосредственно с электромагнитным полем световых волн и придают им любой желаемый фазовый сдвиг. Однако новая техника также оставалась несовершенной.

Изготовление метапокрытия требовало точности, так как резонаторы должны были быть меньше длины волны фокусируемого света. Метапокрытию также необходимо, чтобы свет был поляризован, в то время как объективы камер общего назначения работают с неполяризованным светом.

На сей раз Раджеш Менон (Rajesh Menon) из Университета Юты и его коллеги сфокусировали видимый свет разных длин волн с помощью другого способа, включающего нанесение серии желобков на стеклянной поверхности, покрытой натрием-известью. Высота и ширина каждого желобка подбиралась компьютерным алгоритмом, который оптимизировал фокусировку по всей области видимого спектра.

Метод включал и использование обычной дисперсии стекла, которая компенсировала аномальную дисперсию таким образом, чтобы волны фокусировались на одной плоскости вне зависимости от длины волны.

Для тестирования устройства исследователи освещали линзу светом с разными длинами волн, измеряя расстояния, на которых был сфокусирован свет волн разной длины.

Разница была сравнима с коммерческими ахроматическими рефракционными линзами, а, меняя поляризацию света, разницы обнаружено не было. Кроме того, создание такой поверхности не требует такой же точности при создании. Наименьший размер желобка на поверхности стекла составлял три микрометра, в то время как метапокрытие требует резонаторы размером около 39 нанометров (примерно в сто раз меньше).

Менон и его коллеги в настоящее время работают над дальнейшим развитием линзы, ведь в настоящее время они показали лишь одно её свойство – фокусировку. Для того чтобы использовать подобную технологию в камере, нужно убедиться в её способности формировать хорошие изображения, что потребует намного более серьёзной работы.

Планируется, что изобретение можно будет применять в множестве областей – от сверхлёгких систем визуализации в беспилотных летательных аппаратах до более компактных линз камер мобильных телефонов.