Создана первая плоская линза для телескопа

Исследователи из Юты продемонстрировали возможности своей плоской линзы с помощью тестовых изображений Солнца и Луны. Автор: Menon Lab, University of Utah

На протяжении столетий линзы работали одинаково: изогнутое стекло или пластик преломляли свет, чтобы сфокусировать изображение. Но у традиционных линз есть существенный недостаток: чем мощнее они должны быть, тем громоздче и тяжелее они становятся.

Ученые долго искали способ уменьшить вес линз, не жертвуя функциональностью. И хотя существуют некоторые более тонкие альтернативы, они, как правило, ограничены в своих возможностях и, как правило, сложны и дороги в изготовлении.

Новое исследование профессора инженерного факультета Университета Юты Раджеша Менона и его коллег из Инженерного колледжа Прайса предлагает многообещающее решение, применимое к телескопам и астрофотографии: плоская линза с большой апертурой, которая фокусирует свет так же эффективно, как и традиционные изогнутые линзы, сохраняя при этом точную цветопередачу.

Исследование «Цветная астрофотография с использованием полимерного плоского объектива диаметром 100 мм f/2» опубликовано в журнале Applied Physics Letters.

Эта технология может трансформировать системы астрофотографии, особенно в приложениях, где пространство имеет первостепенное значение, например, на самолетах, спутниках и космических телескопах.

Их исследованием руководил член Menon Lab Апратим Маджумдер, научный сотрудник кафедры электротехники и вычислительной техники. Соавторами являются коллеги из Menon Lab Александр Ингольд и Монджурул Мим, Таннер Обрей и Пол Рикеттс из кафедры физики и астрономии, а также Николь Бримхолл из Oblate Optics.

Линзы преломляют свет, чтобы объекты казались больше. Чем толще и тяжелее линза, тем сильнее она преломляет свет и тем сильнее увеличение. Для обычных камер и телескопов для заднего двора толщина линзы не является большой проблемой.

Но когда телескопам приходится фокусировать свет от галактик, находящихся в миллионах световых лет от нас, большая часть их линз становится непрактичной. Вот почему обсерваторские и космические телескопы полагаются на массивные изогнутые зеркала вместо этого, чтобы достичь того же эффекта преломления света, поскольку их можно сделать намного тоньше и легче линз.

Ученые также пытались решить проблему громоздкости, разрабатывая плоские линзы, которые по-другому управляют светом.

Один из существующих типов, называемый зонной пластиной Френеля (FZP), использует концентрические гребни для фокусировки света, а не толстую изогнутую поверхность. Хотя этот метод действительно создает легкую и компактную линзу, он имеет свои недостатки: она не может воспроизводить истинные цвета. Вместо того чтобы изгибать все длины волн видимого света под одним и тем же углом, гребни FZP преломляют их под разными углами, что приводит к изображению с хроматическими аберрациями или искажениями цвета.

Появляются Раджеш Менон и его команда в Университете штата. Их новая плоская линза обеспечивает ту же силу преломления света, что и традиционные изогнутые линзы, избегая при этом цветовых искажений, характерных для FZP.

Концентрические кольца микроскопических углублений на плоской линзе исследователей оптимизированы для одновременной фокусировки всех длин волн света. Автор: Menon Lab, University of Utah

«Наши вычислительные методы показали, что мы можем разработать многоуровневые дифракционные плоские линзы с большими апертурами, которые могли бы фокусировать свет по всему видимому спектру, и у нас есть ресурсы в Нанофабрике штата Юта, чтобы фактически изготовить их», — сказал Менон, который руководит Лабораторией оптических нанотехнологий Университета штата.

Ключевое новшество заключается в микроскопически малых концентрических кольцах, которые исследователи могут наносить на подложку. В отличие от гребней FZP, оптимизированных для одной длины волны, размер и расстояние между углублениями плоской линзы удерживают дифрагированные длины волн света достаточно близко друг к другу, чтобы создать полноцветное, сфокусированное изображение.

«Моделирование работы этих линз в очень широком диапазоне частот, от видимого до ближнего инфракрасного, потребовало решения сложных вычислительных задач с использованием очень больших наборов данных», — сказал Маджумдер.

«После того, как мы оптимизировали конструкцию микроструктур линз, производственный процесс потребовал очень строгого контроля процесса и обеспечения экологической стабильности».

Большая, плоская, точная по цвету линза может иметь огромное значение в различных отраслях, но ее самое непосредственное применение — в астрономии. Исследователи продемонстрировали возможности своей плоской линзы с помощью тестовых изображений Солнца и Луны.

«Наша демонстрация — это ступенька на пути к созданию легких плоских линз с очень большой апертурой, способных получать полноцветные изображения для использования в телескопах воздушного и космического базирования», — сказал Маджумдер.

Больше информации: Apratim Majumder et al, Color astrophotography with a 100 mm-diameter f/2 polymer flat lens, Applied Physics Letters (2025). DOI: 10.1063/5.0242208

Источник: University of Utah