Новое слово в оптике: ученые из Университета Иллинойса создали ультратонкие ахроматические линзы с помощью 3D-печати

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Оффтопик

Знаменательное достижение в области оптики совершили ученые из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне. Они создали новый тип линз, которые способны фокусировать свет разных цветов в одной точке, тем самым обеспечивая четкое и реалистичное изображение. Эти линзы называются ахроматами, и они имеют ряд преимуществ перед обычными линзами, которые мы используем в наших камерах, микроскопах и других оптических устройствах.

Преломление белого света с помощью одной линзы (слева) и с помощью гибридной линзы (справа)
Автор: The Grainger College of Engineering at University of Illinois Urbana-Champaign Источник: phys.org

Что такое ахроматическая линза и зачем она нужна? Давайте сначала разберемся, как работает обычная линза. Линза — это прозрачный объект, который имеет кривую поверхность и преломляет свет, проходящий через нее. Преломление — это изменение направления света при переходе из одной среды в другую. Степень преломления зависит от длины волны света, то есть от его цвета. Красный свет имеет большую длину волны и меньше преломляется, чем синий свет, который имеет меньшую длину волны и больше преломляется. Это явление называется дисперсией света.

С помощью одной линзы свет с разной длиной волны фокусируется в разных точках.
Автор: The Grainger College of Engineering at University of Illinois Urbana-Champaign Источник: phys.org

Когда мы смотрим на предмет в белом свете, который состоит из смеси всех цветов, мы хотим, чтобы линза фокусировала все цвета в одной точке, чтобы получить четкое изображение. Но обычная линза не может этого сделать, потому что она преломляет разные цвета по-разному. В результате мы получаем размытое изображение с цветными краями, которое называется хроматической аберрацией. Чтобы избежать этого, нужно использовать не одну, а несколько линз, которые скомпенсируют дисперсию света и сделают изображение ахроматическим, то есть без цветовых искажений. Такая система линз называется ахроматической линзой.

Ахроматическая линза состоит из двух или более линз разного типа, которые соединены вместе. Одна из линз называется преломляющей, она имеет положительную фокусную длину и собирает свет. Другая линза называется дифракционной, она имеет отрицательную фокусную длину и рассеивает свет. Преломляющая и дифракционная линзы подбираются так, чтобы их дисперсии света взаимно уничтожались, и все цвета фокусировались в одной точке. Таким образом, ахроматическая линза обеспечивает высокое качество изображения в белом свете.

Однако ахроматическая линза имеет и свои недостатки. Она достаточно толстая и тяжелая, что затрудняет ее использование в современных технологиях, которые требуют миниатюризации и облегчения оптики. Кроме того, ахроматическая линза сложна в изготовлении, так как требует точного соединения преломляющей и дифракционной линз. Поэтому ученые ищут новые способы создания ахроматических линз, которые были бы более компактными, легкими и простыми в производстве.

Именно такой способ предложили исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне. Они использовали комбинацию 3D-печати и пористого кремния для создания гибридных микрооптических систем, которые имеют те же функции, что и классические ахроматические линзы, но в гораздо более тонкой и легкой форме. Их метод называется Subsurface Controllable Refractive Index via Beam Exposure (SCRIBE), и он заключается в следующем.

Сначала они берут пористый кремний, который является материалом с множеством мелких отверстий. Затем они заполняют эти отверстия жидким полимером, который является органическим веществом, состоящим из молекул, связанных в длинные цепочки. После этого они облучают пористый кремний с полимером ультрабыстрым лазером, который заставляет полимер твердеть и менять свой показатель преломления. Показатель преломления — это величина, которая характеризует, насколько сильно свет преломляется в данной среде. Изменяя показатель преломления полимера, они могут создавать внутри пористого кремния различные оптические структуры, такие как преломляющие и дифракционные линзы. Таким образом, они получают гибридную микрооптическую систему, которая состоит из двух линз, интегрированных в одну тонкую пластину.

Преимущества такого подхода очевидны. Гибридная микрооптическая система имеет высокую эффективность фокусировки света разных цветов, при этом занимая минимальный объем и толщину. Она не требует внешних опор или склеивания линз, так как они создаются в одном основании. Она легко изготавливается с помощью 3D-печати, которая позволяет создавать сложные формы и рисунки. Она может быть собрана в массивы, которые формируют изображения для дисплеев и камер светового поля, которые позволяют захватывать и воспроизводить информацию о световом поле, тем самым создавая трехмерные и голографические изображения.

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Обзор Infinix Smart 8 Pro: стоит ли своих денег этот ультрабюджетный смартфон?

Бюджетный смартфон Infinix Smart 8 залетел на рынок с двух ног, предлагая низкую цену и хорошие характеристики, за счет чего получил отличный фидбек от многих пользователей. В конце января была...

Опыт проживания на первом, последнем этажах и в угловой квартире: почему я больше туда ни ногой

Сегодня хочу поделиться своим опытом проживания на крайних этажах и в угловой квартире в течение нескольких лет, обозначить реальные проблемы и предостеречь читателей от необдуманной покупки или...

Слияние сверхмассивных черных дыр: почему мы не видим этот феномен и что произойдет, если он случится

Во Вселенной есть множество загадок, которые заставляют нас задумываться о происхождении и будущем космоса. Одна из таких загадок — это слияние сверхмассивных черных дыр, которые обитают...

Почему американцы устанавливают выключатели внутри санузла, а русские снаружи

У наших людей хватает отличий с американцами в проектировании жилых помещений. Но порой есть такие вопросы, которые вызывают наибольший интерес, чем прочие. И один из них звучит так: почему в их...

Два по 100 Вт: обзор игрового 15,6" ноутбука Machenike L15 Pro Star XT с i7-13700H и RTX 4060

Machenike L15 Pro Star XT — свежая модель в линейке L15, которая комплектуется процессором Intel i7-13700H и видеокартой Nvidia RTX 4060 с объемом памяти 8 ГБ. Эта связка вполне...

Отключаем защитник Windows

Не всем пользователям Windows требуется наличие работающего в фоне Windows Defender, ибо, несмотря на свою полезность, защитная программа имеет дурную привычку вмешиваться в дела пользователя. Чего...