Плоские оптические элементы уведут хроматические аберрации в прошлое

Три года назад Инженерно-технический институт прикладных наук Гарвардского университета (SEAS) сделал прототип плоской линзы, которая была создана на стеклянной подложке с установленными в нее наноантеннами, фокусирующими световой поток в требуемой точке — данное решение стало возможным только благодаря нанотехнологиям, роботам, которые собирают данные элементы на молекулярном уровне (мы об этом писали почти три года назад). Однако, в то время прототип был далек от совершенства и работал только с металлическими наноантеннами, позволяющими фокусировать световые волны только одной частоты, следствием чего были сильные хроматические аберрации. Созданный буквально недавно новый прототип позволит избежать этого в будущем, так как одинаково фокусирует почти весь фотонный поток.

Фото: SEAS

Прежде всего, нужно сказать, что существующие сегодня оптические технологии все возникли даже не в 20 веке, которому, они, правда, обязаны своим расцветом — основаны они на создании линз с различающимся изгибом передней и задней поверхности, за счет чего могут различным образом фокусировать лучи света, проходящие через них. Однако, учитывая структуру светового луча, не нужно забывать, что разные лучи преломляются тоже по-разному, иначе мы бы не знали таких явлений, как радуга или эффект дифракционной решетки. Прямым следствием этого является хроматическая аберрация, часть которой связана не столько с плохим стеклом, сколько с появлением цифровых технологий — для матриц цифровых фотоаппаратов важно, под каким углом на нее падают разные лучи света, отчего даже одни из лучших моделей объективов на открытых диафрагмах показывают существенные хроматические искажения. В особенности, это заметно на контрастных объектах (например, ветки деревьев на фоне неба) — фиолетово-зеленые и желто-синие ореолы способны не только испортить ощущения от картинки технически сдвинутого фотографа, но и просто украсть часть резкости у фотографа-профессионала.

Для решения этих проблем оптики уже разработали ряд решений и материалов, ранее применявшихся в космической сфере или более дорогостоящих решениях. Естественно, применение некоторых материалов дает безусловный выигрыш по картинке, но экономически нецелесообразен, в силу того, что решение получается громоздким и, главное, очень дорогим. Другими словами, разумные фотографы свои деньги в них вкладывать не станут.

Собственно, хроматические аберрации были характерны и для первого прототипа инженеров из Гарварда. Как оказалось, в первом экземпляре нано-антенны были металлическими и отражали только часть спектра, игнорируя основной поток. Однако, три года тоже прошли не зря, и во втором прототипе этих недостатков удалось избежать.

Фото: SEAS (перевод: Простые фокусы)

Решение пришло к ученым под руководством группы профессора Федерико Капассо и профессора Роберта Уоллеса после того, как вместо металлических антенн они решили использовать диэлектрический материал (кремний, в данном случае). Теперь оптический элемент способен фокусировать все три основных цвета, зеленый, красный и желтый (на изображении выше — гамма-1, 2 и 3) и практически приближается к оптическим идеалам, к которым стремятся ученые — проблема ранее заключалась в эффекте той самой дифракционной решетки, модель которой формировала «линза» предыдущего поколения. Сама конструкция оптического элемента, названного, на этот раз, «ахроматической метаповерхностью», на первый взгляд, изменилась несущественно, за исключением кремниевых антенн — она имеет ту же толщину в 60 нм, а потому способна составить конкуренцию любому громоздкому решению из десятка элементов из стекла с дисперсией, стремящейся к нулю. Более того, по сравнению со стеклянными оптическими элементами, имеющими куда большую толщину, данный элемент преломляет свет при попадании луча на его поверхность, а не по мере его прохождения через оптический элемент. Однако интереснее другое: угол преломления рассчитывается при разработке оптического элемента только в общих чертах, но при сборе оптической схемы, по мере надобности, может корректироваться для исправления проблем с фокусировкой лучей. По сути, это является программированием оптической схемы — на производстве достаточно компьютера и не слишком крупного специального оборудования, изменяющего «геометрию» оптического элемента за минуты.

В настоящее время группа ученых занимается получением патента на данную технологию, после чего можно будет говорить о появлении коммерческих продуктов на ее основе. Реальные сроки выхода оптических решений на основе этой технологии, скорее всего, не менее пяти-семи лет с момента получения патента.

Основное предназначение таких решений ученые видят в создании более компактных стекол не только для больших фотоаппаратов, но и для компактных решений, вроде камер в сотовых телефонах. В настоящее время технология уже готова к выходу на рынок — более того, нанотехнологии используются основными производителями фототехники уже сегодня: так, компания Canon имеет в своем арсенале оптические элементы с оптимизированной дифракцией, DO, позволяющие как поднять резкость результирующего изображения, так и уменьшить вес объектива и используются, в основном, в дорогих телеобъективах; в то время как компания Nikon использует только покрытие, наносящееся с применением нанотехнологий, в своих топовых объективах, для снижения переотражений внутри оптической схемы и повышения резкости картинки.