Полтора года назад мы рассказывали о «металинзах» – микроскопических периодических структурах, которые способны преломлять свет и формировать изображение. Фактически, такие металинзы могут оказаться принципиально новым типом оптических элементов – гораздо более компактным и лёгким, чем традиционные стеклянные линзы.
За прошедшее время учёные из Гарвардского университета, разработчики металинз, сделали большой шаг вперёд – научили металинзы фокусировать световые лучи полного диапазона видимого спектра в одну точку. Как сообщается, это настоящий прорыв.
Вместо кусков стекла с искривленными поверхностями, каковыми по сути являются обычные оптические элементы, в случае металинз мы имеем слой прозрачного кварца толщиной менее человеческого волоса. Он покрыт миллионами крошечных столбиков из диоксида титана. Эти столбики, или «башни», сгруппированы в определенные структурные группы. Когда на них падает свет, они как бы «нарезают его ломтиками», могут преломлять и фокусировать. В сообщении полуторагодовой давности говорилось, что каждая отдельная группа таких столбиков фокусирует свет определенной длины волны (проще говоря, определенного цвета). Разработчики считали своей важнейшей следующей задачей – понять, как же заставить металинзы фокусировать лучи света с разной длиной волны (разного цвета) в одну точку.
И вот теперь цель достигнута – металинзы могут фокусировать свет всего видимого спектра (всех воспринимаемых глазом длин волн) в одну точку. Как это получилось?
«Предыдущие разработки показали, что свет различных длин волн можно фокусировать в различные места – путём оптимизации формы, толщины, высоты наностолбиков и дистанции между ними. В последних экспериментах разработчики создали «сдвоенные наностолбики», которые контролируют скорость различных длин волн одновременно. Эти сдвоенные столбики управляют индексом преломления на метаповерхностях и настроены так, чтобы получались разные временные задержки при прохождении света через разные столбики. В результате разные длины волн достигают точки фокусировки одновременно».
Учёные сообщают, что последние из созданных металинз способны полностью устранять хроматические аберрации, которыми страдают все современные стеклянные объективы. Аберрации появляются, когда объектив не может сфокусировать все цвета в одной точке; при этом появляются окрашенные или радужные края на контрастных участках изображения.
Минимальные хроматические аберрации (сверху) и сильные (снизу). Фото - Стэн Зурек.
До сих пор для устранения хроматических аберраций в объективах использовались сложные оптические схемы, состоящие из множества отдельных линз. Соответственно, объективы – особенно высококачественные, профессионального уровня – неизбежно получались большими и тяжелыми. Металинзы же, как полагают, в один прекрасный день смогут предложить такое же оптическое качество при многократном уменьшении габаритов и веса объектива.
Пример оптической схемы современного объектива
Теперь, когда решена проблема фокусировки, разработчики будут двигаться в направлении увеличения размера линз. Достижение одного сантиметра в диаметре откроет металинзам дорогу к целому миру практических применений.
Пока ничего не говорится о том, когда металинзы начнут использоваться в объективах фотокамер и смартфонов на массовом рынке, однако ученые сообщают, что уже зарегистрировали стартап-компанию для будущей коммерциализации результатов своих разработок.
