Close button

Прорив в оптиці: створена лінза зі змінним фокусом

Прорив в оптиці: створена лінза зі змінним фокусом

Інженери Массачусетського технологічного інституту створили настроюючу металінзу, яка може фокусуватися на об'єктах на різній глибині без зміни її фізичного стану або форми. Лінза зроблена не з суцільного скла, а з прозорого матеріалу, що змінює фазу, яка після нагрівання може перебудовувати свою атомну структуру і тим самим змінити спосіб взаємодії матеріалу зі світлом, повідомляє Хайтек.

Поліроване скло протягом століть було в центрі систем обробки зображень. Його точна кривизна дозволяє лінзам фокусувати світло і створювати чіткі зображення незалежно від того, чи є об'єкт в полі зору окремим осередком, сторінкою книги або навіть далекої галактики.

Зміна фокуса лінзи зазвичай вимагає її фізичного переміщення шляхом нахилу, ковзання або іншого переміщення, зазвичай за допомогою механічних деталей, які складають більшу частину мікроскопів і телескопів.

Дослідники вигравіювали поверхню матеріалу крихітними структурами з точним малюнком, які працюють разом як метаповерхність, унікальним чином заломлює або відбиваючи світло. При зміні властивостей матеріалу відповідно змінюється і оптична функція метаповерхності. У цьому випадку, коли матеріал має кімнатну температуру, метаповерхність фокусує світло для створення чіткого зображення об'єкта на певній відстані. Після нагріву матеріалу його атомна структура змінюється, і у відповідь метаповерхність перенаправляє світло, щоб сфокусуватися на більш віддаленому об'єкті.

Таким чином, нова активна металінза може налаштовувати фокус без необхідності використання громіздких механічних елементів. Нова металінза дозволяє отримувати зображення в інфрачервоному діапазоні, може дозволити використовувати більш гнучкі оптичні пристрої, такі як мініатюрні тепловізори для дронів, компактні тепловізійні камери для мобільних телефонів і низькопрофільні окуляри нічного бачення.

«Наш результат показує, що наша ультратонка перебудовна лінза без рухомих частин може забезпечувати безаберраціонне зображення об'єктів, що перекриваються, розташованими на різній глибині, конкуруючи з традиційними громіздкими оптичними системами», - сказав Тіан Гу, науковий співробітник лабораторії дослідження матеріалів Массачусетського технологічного інституту.

Нова лінза зроблена з матеріалу зі змінною фазою, який команда виготовила шляхом настройки матеріалу, який зазвичай використовується в перезаписуваних компакт-дисках і DVD. Названа GST, вона складається з германію, сурми і телуру, і її внутрішня структура змінюється при нагріванні за допомогою лазерних імпульсів. Це дозволяє матеріалу перемикатися між прозорим і непрозорим станами - це механізм, який дозволяє записувати, прати і перезаписувати дані, що зберігаються на компакт-дисках.

Раніше в цьому році дослідники повідомили про додавання в GST ще одного елемента - селену - для створення нового матеріалу зі змінною фазою, названого GSST. Коли вони нагрівали новий матеріал, його атомна структура перейшла від аморфного, безладного клубка атомів до більш упорядкованій кристалічній структурі. Цей зсув фази також змінив спосіб проходження інфрачервоного світла через матеріал, впливаючи на здатність заломлення, але з мінімальним впливом на прозорість.

Команда задалася питанням, чи можна налаштувати комутаційну здатність GSST для направлення і фокусування світла в певних точках в залежності від його фази. В цьому випадку матеріал може слугувати активній лінзою без необхідності в механічних частинах для зміщення його фокусу.

«Загалом, коли роблять оптичний пристрій, дуже складно налаштувати його характеристики після виготовлення. Ось чому наявність такої платформи - це святий Грааль для інженерів-оптиків, який дозволяє металінзам ефективно перемикати фокус у великому діапазоні », - каже Тіан Гу, науковий співробітник лабораторії дослідження матеріалів Массачусетського технологічного інституту.

У звичайних лінзах скло точно зігнуто, так що падаючий промінь світла заломлюється від лінзи під різними кутами, сходячись в точці на певній відстані, відомої як фокусна відстань лінзи. Потім лінзи можуть створювати чітке зображення будь-яких об'єктів на певній відстані. Для зображення об'єктів з різною глибиною лінзу необхідно фізично переміщати.

Замість того, щоб покладатися на фіксовану кривизну матеріалу для прямого світла, дослідники спробували змінити металінзу на основі GSST таким чином, щоб фокусна відстань змінювалося в залежності від фази матеріалу. У своєму новому дослідженні вони виготовили шар GSST товщиною 1 мікрон і створили метаповерхність шляхом травлення шару GSST на мікроскопічні структури різної форми, які по-різному заломлюють світло.

Вони протестували нову металінзу, помістивши її на сцену і освятив лазерним променем, налаштованим на інфрачервоний діапазон світла. На певних відстанях перед лінзою вони розміщували прозорі об'єкти, що складаються з двосторонніх візерунків з горизонтальних і вертикальних смуг, відомих як діаграми дозволу, які зазвичай використовуються для тестування оптичних систем.

Лінза в вихідному аморфному стані давала чітке зображення першого візерунка. Потім група нагріває лінзу, щоб перетворити матеріал в кристалічну фазу. Після переходу і з віддаленим джерелом нагрівання лінза давала настільки ж різке зображення, на цей раз другого, більш далекого набору смуг.

Експерименти показують, що металінза може активно змінювати фокус без будь-яких механічних рухів. Дослідники говорять, що металінзу потенційно можна виготовити з вбудованими мікронагрівачами для швидкого нагріву матеріалу короткими мілісекундними імпульсами. Змінюючи умови нагріву, вони також можуть налаштовуватися на проміжні стани інших матеріалів, забезпечуючи безперервне налаштування фокуса.

Новини

Популярні теми форуму

analytics