Новий плоский об’єктив може змінити астрономію

Новий тип плоского телескопічного об’єктива, який має товщину лише 2,4 мікрометра, може радикально змінити підхід до спостереження за глибоким космосом. Розроблений групою вчених з Університету Юти, цей надтонкий об’єктив дозволяє створювати легкі, але потужні телескопи, які можна встановлювати на літаки та супутники. Завдяки своїй унікальній конструкції він усуває проблеми, притаманні традиційним криволінійним лінзам, і відкриває нові можливості для астрономії та астрофотографії.

Традиційні рефракторні телескопи використовують криволінійні лінзи для збільшення віддалених об’єктів шляхом заломлення світла. Принцип їхньої роботи схожий на звичайну лупу: крива поверхня лінзи відхиляє світло і спрямовує його до фокусної точки, завдяки чому об’єкти здаються більшими. Проте для космічних телескопів, які досліджують зорі чи галактики, розташовані за мільйони світлових років, такі лінзи стають непрактичними. Чим далі об’єкт, тим більше збільшення потрібно, а це означає, що лінза має бути товщою і важчою. У результаті традиційні телескопи стають громіздкими і дорогими для запуску в космос.

Саме тому вчені давно шукають альтернативу у вигляді плоских лінз, які теоретично мають бути легшими і компактнішими. Однак основна проблема плоских лінз полягає в тому, як світло взаємодіє з їхньою поверхнею. Видиме світло, що є формою електромагнітного випромінювання, передається у вигляді хвиль або частинок із різними довжинами і частотами. Проходячи через плоску лінзу, світло дифрагує, розсіюючи хвилі різної довжини в різних напрямках. Це призводить до розмитого зображення з втратою чіткості.

Нова розробка, яку вчені назвали «багаторівневою дифракційною лінзою» (MDL), долає ці труднощі завдяки складній структурі з мікроскопічно малих концентричних кілець. Ці кільця розташовані на різних рівнях усередині лінзи і дозволяють спрямовувати світло різних довжин хвиль до однієї фокусної точки. У результаті зображення виходить чітким і без кольорових спотворень. Діаметр нового об’єктива становить 100 міліметрів, фокусна відстань — 200 міліметрів, а товщина — лише 2,4 мікрометра. Лінза оптимізована для діапазону видимих хвиль від 400 до 800 нанометрів, що робить її значно легшою за традиційні аналоги і усуває проблему хроматичних аберацій.

Результати дослідження були опубліковані 3 лютого в журналі Applied Physics Letters. Проєкт фінансували Агентство передових оборонних дослідницьких проєктів (DARPA), NASA та Управління військово-морських досліджень США. «Наша розробка — це крок до створення плоских лінз із великою апертурою, які здатні фокусувати повноколірні зображення для використання в телескопах на літаках і в космосі», — зазначив провідний автор дослідження Апратім Маджумдер, доцент кафедри електротехніки та комп’ютерної інженерії Університету Юти.

Плоскі лінзи вже розроблялися раніше, зокрема відомі зони Френеля (FZP), які мають концентричні гребені на поверхні. Але такі лінзи розщеплюють світло на окремі довжини хвиль і відхиляють їх під різними кутами, що призводить до кольорових спотворень. Натомість MDL вирізняється тим, що її концентричні кільця мають різну глибину всередині самої лінзи. Коли світло проходить через ці мікроскопічні заглиблення, вони коригують дифракцію різних довжин хвиль, запобігаючи їхньому розсіюванню. Завдяки цьому всі хвилі сходяться в одній точці одночасно, створюючи чітке і точне за кольорами зображення.

Окрім усунення кольорових спотворень, нова лінза забезпечує таку ж здатність до заломлення світла, як і традиційні криволінійні аналоги. У рамках дослідження вчені використали MDL для зйомки Сонця і Місяця. Зображення Місяця чітко показали ключові геологічні особливості, а сонячні знімки виявили видимі плями на поверхні зірки. «Симуляція роботи цих лінз у широкому діапазоні — від видимого до ближнього інфрачервоного — вимагала вирішення складних обчислювальних завдань із великими наборами даних», — пояснив Маджумдер. Він додав, що після оптимізації дизайну мікроструктур лінзи процес виробництва потребував суворого контролю і стабільних умов.

За словами дослідників, технологія має широкі перспективи в астрономії, астрофотографії та інших задачах далекого спостереження, зокрема для зйомок із літаків і супутників. Важливо, що виробництво таких лінз може розпочатися вже найближчим часом. «Наші обчислювальні методи показали, що ми можемо створювати багаторівневі дифракційні лінзи з великими апертурами, які фокусують світло в усьому видимому спектрі. У нас є ресурси в Utah Nanofab, щоб втілити це в життя», — зазначив співавтор дослідження Раджеш Менон, професор Університету Юти.

Ця розробка може стати проривом у створенні компактних і доступних телескопів, які зроблять дослідження космосу ефективнішим і економічнішим. Легкість і компактність MDL відкривають двері до нових застосувань у космічних місіях, де кожен грам вантажу має значення. У майбутньому такі технології можуть допомогти людству глибше зрозуміти Всесвіт, від далеких галактик до найближчих небесних тіл.