Созданные группой ученых из Гарвардского университета миниатюрные линзы размером с песчаное зернышко, возможно уже в обозримом будущем смогут успешно конкурировать по качеству снимков с изображениями, получаемыми сегодня при помощи габаритных, тяжелых и дорогих DSLR-камер, использоваться в камерах смартфонов, при изготовлении контактных линз, в перспективных нанофотонных сетях связи, в лазерной микроскопии, томографии, спектроскопии и др. Прототип изобретения был представлен вниманию заинтересованной аудитории на прошлой неделе, а отчет о проделанной работе опубликован на страницах Science в первых числах этого месяца.

Зеркальные камеры DSLR — узкое место в работе современных фотографов-профессионалов. Они позволяют получать высокое качество снимаемых изображений, но вместе с тем остаются весьма тяжелыми и громоздкими. К сожалению, высококачественная и тяжелая оптика, точная механика не позволяют сокращать вес и размеры DSLR-камер такими темпами, которыми происходит уменьшение массогабаритных показателей другой техники. В последнее время начаты разработки и производство беззеркальных камер, к примеру, Canon EOS M, но полученные характеристики пока еще не позволяют им успешно конкурировать с DSLR-камерами.

Миниатюрные металинзы (meta-lens), разработанные учеными из Гарвардского университета на основе метаматериала, могут применяться практически во всех существующих сегодня технологиях съемки, начиная от фотографии и заканчивая изображениями, получаемыми при помощи мощных оптических микроскопов и телескопов. Более того, использование металинз в камерах мобильных телефонов и прочей портативной техники позволит получать изображения, не уступающие по качеству снимкам, полученным с помощью полу- и профессиональных DSLR-камер.

Размер металинзы — порядка 2 мм в диаметре, а стоимость их изготовления обойдется на 2–3 порядка дешевле, чем изготовление линз из просветленного оптического стекла.

«Мы хотели бы заменить громоздкую оптику», пояснил Мохаммадреза Кхорасанинеджад (Mohammadreza Khorasaninejad) — научный руководитель проекта в своем интервью Popular Science. Используя металинзы ,«… Мы можем сократить расходы на 2 или 3 порядка». Другими словами, цену линзы ТОП-уровня в $5000 удастся снизить до потенциально исчезающих S5 долларов, сохранив при этом все ее возможности. И очень важно, что миниатюрные линзы, будучи плоскими, могут быть изготовлены в тех же самых производственных цехах, где производятся стандартные компьютерные чипы.

Новые металинзы позволят получать снимки качеством DSLR-камеры при помощи смартфона

Внушительный размер объективов DSLR-камер объясняется использованием в их конструкции множества оптических элементов с изогнутыми поверхностями. Такие линзы изменяют форму световых лучей, преломляют их и фокусируют на поверхности светочувствительного датчика. При этом некоторая часть света, проходящая через края линз, все же выпадает из фокуса изображения, что приводит к размытости краев изображения. Компенсировать эффект хроматической аберрации приходится за счет дополнительных корректирующих линз, что дополнительно повышает стоимость и увеличивает габаритные размеры объектива.

У металинз, представляющих собой плоские кварцевые пластины, на поверхности которых сформированы упорядоченные особым образом структуры из диоксида титана, отрицательный эффект, связанный с хроматическими аберрациями отсутствует по определению. Каждый отдельный элемент металинзы, внешне схожий с поставленной на ребро миниатюрной костяшкой домино размером несколько десятков х несколько сотен нанометров, преломляет поступающие лучи света по-своему. Вместе с тем, все эти элементы, расположенные в строго определенном порядке, действуют как одна линза, фокусируя лучи света в нужной точке.

Прототип, созданный учеными пока не способен охватить весь диапазон видимого спектра. Варьируя размеры элементов на поверхности металинз, высоту «костяшки», расстояние между соседними металинзами и ряд других параметров исследователям удалось создать образцы линз, демонстрирующих отличные рабочие характеристики в диапазонах 405, 532 и 660 нанометров, т. е. фиолетово-синей, желто-зеленой и красной части видимого спектра. Уже намечены пути решения проблемы улучшения качества картинки с участием цветов и другой части спектра, где пока что изображение выглядит не достаточно резко.

Структура поверхности металинзы

Одно из «фирменных» достоинств металинз — несравнимо более высокие показатели эффективности. К такому выводу исследователи пришли еще в 2011 году, когда путем экспериментов получили эффективность на уровне 99%. Это значит, что при прохождении через металинзу теряется всего 1% светового потока. И такой результат сегодня невозможно повторить даже используя лучшие линзы из стекла.

Точно назвать месяц и год, когда металинзы анонсированные группой исследователей из Гарварда смогут добраться да объективов камер смартфонов пока проблематично. Ясно что первым шагом на пути к этой цели станет преодоление проблем качества картинки во всем видимом спектральном диапазоне. Вместе с тем, применение преимуществам разработки в ее нынешнем виде можно найти уже сейчас: это, к примеру, возможность их использования в научном и технологическом оборудовании, задействующем в процессе работы технологии обработки луча лазера и прочих источников света с определенной длиной волны.