Нов дизайн на плоска леща може да направи революция в технологията на телескопите, намалявайки теглото, като същевременно дава рязко и точно цветно изображение за целите на астрономията и изследването на космоса.
От векове телескопите са разчитали на извити лещи и огледала, за да заснемат изображения на космоса. Макар и ефективни, тези традиционни оптични елементи са тежки и обемисти. Освен това огледалата могат да доведат до изкривявания и несъвършенства, което да повлияе на яснотата на изображението.
Сега изследователите са разработили иновативна плоска леща, която обещава да направи революция в дизайна на телескопа чрез намаляване на теглото и подобряване на качеството на изображението.
Проблемите на традиционните лещи
Лещите винаги са работили чрез пречупване на светлината, за да фокусират изображенията, но колкото сеувеличава мощността им, толковае стават по-тежки и по-обемисти. Това ограничение представлява значително предизвикателство за широкомащабни телескопи, които трябва да събират светлина от далечни небесни обекти. Въпреки че огледалата предлагат алтернатива, те могат да деформират изображенията и не винаги са идеалното решение.
Схема рефракторния телескоп на Кеплер. Кредит: Wikimedia Commons
Учените са изследвали леки алтернативи като дифракционни лещи, които манипулират светлината чрез структурирани шарки, а не чрез извити повърхности.
Един тип, зоновата плоча на Френел (FZP - Fresnel zone plate) за разлика от лещата, която фокусира светлината чрез пречупване, зоновата пластина работи чрез дифракция и е много по-тънка и лека от традиционните лещи. Зоновата пластина е набор от прозрачни и непрозрачни концентрични пръстени, наречени зони на Френел. Когато светлината преминава през пластината, тя се подлага на дифракция в краищата на непрозрачните зони. Техните размери са избрани по такъв начин, че поради дифракцията на отклонените лъчи светлината се фокусира, създавайки реално изображение. FZP обаче страдат от хроматична аберация, което води до изкривявания на цвета. Тези ограничения възпрепятстват широкото им приемане в астрономическите изображения..
Зоновите плочи на Френел са устройства с интересни оптични свойства, подобни на лещите, но които използват дифракция вместо пречупване, за да постигнат желания ефект. В тази симулация лещата приблизително фокусира входяща линейна вълна в точка. За разлика от обикновените лещи коефициентът на пречупване на зоналната плоча е постоянен, равен на 1, но вместо това прозрачността на плочата варира като [1 + cos(kr^2)]/2, където r е разстоянието до центъра на плочата. Също така е възможно да се замени плавно променящата се прозрачност с превключване на прозрачност между две фиксирани стойности. Позицията на фокусната точка зависи от параметъра k и от дължината на вълната на входящата вълна, вижте Zone_plate за повече подробности. Кредит: Nils Berglund
Пробив на технологията за плоски лещи
Изследователски екип от университета в Юта, ръководен от професора по инженерство Раджеш Менон (Rajesh Menon), разработва плоска леща с голяма апертура, която преодолява тези предизвикателства. Тяхната работа, публикувана в Applied Physics Letters, демонстрира как този нов дизайн на лещи може да постигне изображения с висока разделителна способност без проблемите на традиционната оптика.
Екипът на Менон е разработил леща, която запазва силата на FZP, без да жертва точния цвят. Те постигат това чрез оптимизиране на микроскопичните ръбове, внимателно регулиране на техния размер и разстояние, за да гарантират, че дължините на вълните остават достатъчно близки, за да произвеждат резки изображения с висока прецизност на цветовете.
Използвайки нов метод за изчисление на конструкцията и усъвършенствани литографски техники, екипът създава дифракционна леща с диаметър 100 милиметра, способна да фокусира светлина в широк диапазон от дължини на вълните, от 400 до 800 нанометра.
Изследователите демонстрират възможностите на своите плоски лещи с тестови изображения на слънцето и луната. Кредит: Menon Lab
За разлика от предишните дифракционни лещи, тази нова плоска леща поддържа точно представяне на цветовете, като същевременно постига рязка резолюция на изображението.
"Ние демонстрирахме, че изчислителните методи могат да постигнат подобни резултати със значително намаляване на теглото и отпечатъка", обяснява Менон.
Лещата се състои от микроскопично малки концентрични пръстени, гравирани върху субстрат. За разлика от пръстените на FZP, тези пръстени са проектирани да минимизират хроматичната аберация, позволявайки на всички видими дължини на вълната на светлината да се фокусират правилно. Това води до пълноцветно, фокусирано изображение - съществено изискване за астрономията и наблюдението на Земята.
Концентричните пръстени от микроскопични вдлъбнатини върху плоската леща на изследователите са оптимизирани, за да фокусират всички дължини на вълната на светлината едновременно. Кредит: Menon Lab
Тестване на лещата в астрономията
За да оценят своето изобретение, изследователите изграждат персонализирана оптична система и адаптират лещата за използване в телескоп. Те я тестват като заснемат изображения на слънцето и луната, демонстрирайки способността ѝ да разпознава фини детайли като слънчеви петна и лунни кратери.
"Нашата демонстрация е стъпало към създаването на леки плоски лещи с много голяма бленда, способни да заснемат пълноцветни изображения за използване във въздушни и космически телескопи", разказва Апратим Маджумдер (Apratim Majumder), научен асистент в Университета на Юта и водещ автор на изследването.
Симулирането и оптимизирането на производителността на плоската леща изисква решаване на сложни изчислителни проблеми, включващи огромни масиви данни. Процесът на производство също изисква изключителна прецизност, тъй като дори незначителни несъвършенства в микроструктурата на лещата могат да влошат качеството на изображението.
Бъдещето на леките телескопи
Този пробив има значителни последици и извън астрофотографията. Способността да се произвеждат големи, леки лещи може да доведе до по-прости и по-достъпни въздушни и космически системи за изображения.
"Ако успеят, тези плоски лещи биха могли да доведат до по-прости, по-евтини въздушни и космически системи за изображения за астрономически наблюдения и такива на Земята", коментира Менон. "По-леките, по-евтини наземни телескопи също ще имат много приложения, включително и за любители."
Авиокосмическата индустрия също може да се възползва от тази технология, тъй като компактните, високопроизводителни лещи са от съществено значение за сателити, дронове и разузнавателно оборудване. Освен това изобретението ще е от полза и за други области, изискващи изображения с висока разделителна способност, като медицинска диагностика и мониторинг на околната среда.
Проектиране на многостепенна дифракционна леща (MDL, MDL-100B) с диаметър = 100 mm и фокусно разстояние 200 mm. Този MDL има ширина на пръстена от 2,5 µm и максимална височина на пръстена от 2,4 µm. (b) Увеличен изглед на централните 100 пръстена на този MDL. Кредит: Applied Physics Letters
Чрез комбиниране на изчислителни техники с прецизно производство, екипът на Menon създаде леща, която поддържа оптични характеристики, като същевременно премахва тежестта и ограниченията на традиционния дизайн.
Тяхната работа бележи решаваща стъпка към бъдещето на леки, висококачествени оптични системи, които могат да трансформират начина, по който телескопите, сателитите и другите устройства за изображения улавят света и вселената отвъд.
Справка: Color astrophotography with a 100 mm-diameter f/2 polymer flat lens Scilightfeatured; Apratim Majumder, Monjurul Meem, Alexander Ingold, Paul Ricketts, Tanner Obray, Nicole Brimhall, Rajesh Menon; Appl. Phys. Lett. 126, 051701 (2025) https://doi.org/10.1063/5.0242208
Източник: Engineers create first lightweight flat telescope lens that can capture color, The Brighter Side of News.
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
dolivo
Полетът на Starliner до МКС през 2024 г. е бил много по-драматичен, отколкото знаем (видео)
dolivo
Загадка: Как са се озовали инструменти, подобни на неандерталските, в Източна Азия - разстоянието е континент?
dolivo
Варна става част от Световно космическо парти с кратки видеоклипове и техно груув парти
Имане Хелиф
Анусът може да е еволюирал от отвор, първо използван за отделяне на сперма