Плоская линза создаёт идеальное изображение



    Физики из Гарвардской школы инженерного дела и прикладных наук (School of Engineering and Applied Sciences, SEAS) создали плоскую линзу диаметром 1 мм и толщиной 60 нм, которая преломляет световые волны так же, как обычная объёмная линза, но без оптических искажений.

    Чтобы понять принцип работы новой линзы, нужно вспомнить школьный курс оптики. Обычная линза изменяет направление световых волн благодаря эффекту фазовой задержки на границе двух сред с разной плотностью. Поскольку скорость света имеет разное значение — отсюда и возникает фазовая задержка.


    Анимация Олега Александрова

    Вся традиционная оптика построена на таком эффекте, но не новая линза гарвардских физиков. Вместо использования материалов разной плотности и со специальной формой, они генерируют фазовую задержку с помощью точно рассчитанной сетки наноантенн на плоской поверхности — так называемого метаматериала.



    Сама линза миллиметрового размера изготовляется из кремния. При толщине 60 нанометров пластинка остаётся прозрачной. Поверхность покрывается нанометровым слоем золота, из которого вытравливаются частицы нужной формы и располагаются концентрическими кругами. Антенна каждой формы реагирует с электромагнитным излучением на разной длине и создаёт фазовую задержку прямо на поверхности линзы. В правой части иллюстрации показана фазовая задержка для каждого участка. Таким образом, свету не нужно проходить через толщу обычной линзы — и поэтому исчезают многие характерные оптические искажения.

    Как сообщается в пресс-релизе, можно делать такие линзы для «широкого диапазона: от инфракрасного до терагерцового», то есть от 1000 нм до 1 мм, если соответствующим образом подобрать размер, угол и расстояние между антеннами. Предполагается, что в первую очередь линза найдёт применение в оптоволоконных маршрутизаторах.

    Заметим, что видимый диапазон 740-380 нм не попадает в упомянутую вилку, для него требуются наноантенны чуть меньшего размера. Но не за горами то время, когда будет создан коммерчески доступный метаматериал нанометровой толщины и для видимого света. Первые опытные образцы такого метаматериала появились несколько лет назад. Это совершенно революционная технология, которая может полностью трансформировать оптическую промышленность.

    Результаты своей работы учёные опубликовали в журнале Nano Letters.
    Поддержать автора
    Поделиться публикацией

    Комментарии 94

      +12
      Как раз мечтал носить очки с линзами потоньше.
        +3
        Ломаться же будут
          +2
          Обычные тоже ломаются, при достаточном давлении. Говорю как человек, который потерял две пары очков в переполненной маршрутке (нагрудные карманы зло для очков).
          +3
          А контактные линзы не пробовали? Я после них очки как дьявольские проделки воспринимаю.
            +4
            Пробовал, но для меня ощущения которые испытываю одевая их являются совсем неприятными.
              +1
              Это дело привычки. Мне хватило месяца, чтобы привыкнуть. Насчет пользы/вреда для глаза тут можно спорить, но то, что линзы удобнее в повседневной эксплуатации(не в джунглях или тайге) — я считаю, что да.
                +7
                Всё индивидуально, простите за банальность.
                  –1
                  Согласен на счёт индивидуальности, но всегда есть выход. У меня линзы, в которых можно не снимая носить месяц. Даже мыться и купаться можно.
                    0
                    Я, хорошо зрячий зеленоглазый, как-то для новогоднего костюма Хауса решил прикупить синие линзы. Все ок. Однако запомнился один момент. У меня глубоко-посаженные глаза и надевать линзы было процедурой небыстрой и неприятной по ощущениям. А вот продавщийа, лупоглазенькая девушка, без проблем меняла и демонстрировала процесс работы с ними прямо в салоне. Так что понятие выход в этой области дествительно индивидуально ;-)
                      0
                      Ха, когда я первый раз надевал и снимал линзы у врача — это был ещё тот номер) По возгласам и словам похоже было на неудачный первый раз)) «Да куда ты, да как его туда...» А потом, привык, сейчас в среднем всего минуту трачу на то, чтобы одеть, а чтобы снять и того меньше.
                        0
                        Я 13 лет линзы ношу. Могу даже без зеркала за 5 сек надеть.
                          0
                          Да я уже забыл, когда зеркалом пользовался для этой цели))
                      0
                      Что за линзы не подскажете?
                        0
                        Bausch&Lomb PureVision (balafilicon A) я беру по 6 штук, коробочку. Хватает на, 3 месяца.
                        0
                        Что не так я сказал?
                    0
                    Это зависит от очень многих вещей. Могли не подойти линзы, у моего знакомого глаза краснели и чесались просто из-за неподходящего раствора. В общем, немного поэкспериментировать — и можно прийти к идеальному результату.
                      0
                      Главное — не сдаваться сразу.
                        0
                        Ага, а ещё в первые свои линзы я носил не знаю радиус искривления, не знал, что это вообще важный параметр. Врач об этом и слова не сказал.
                  0
                  Такие очки не дадут вам никакого преимущества, потому что они пропускают только инфракрасный свет, который для человека не виден, вот пруф.
                  +17
                  Очкарик плюсует, но все-таки понимает, что не скоро…
                    +24
                    так как все таки автор — ализар…
                    +12
                    И объективы станут тонкими и легкими?
                      0
                      Ох если бы. Разговор пока о милимитровых линзах, а оптическое разрешение таких линз не столь уж и велико.
                      Для применение в телефоне вполне подойдет, но учитывая сложность изготовления крупных образцов их стоимость может зашкаливать. Хотя о сложности производства судить еще рано.
                        +2
                        Пожалуй, в микроскопах самое то.
                          +2
                          Микроскоп он «микро» не от того, что сам маленький ;)
                        +8
                        Не за горами f/1.0 в телефонах :-)
                        +15
                        >Чтобы понять принцип работы новой линзы, нужно вспомнить школьный курс оптики.
                        >школьный курс оптики
                        >Обычная линза изменяет направление световых волн благодаря эффекту фазовой задержки на границе двух сред с разной плотностью. Поскольку скорость света имеет разное значение — отсюда и возникает фазовая задержка.
                        >школьный курс

                        В голос рассмеялся.

                        Ну, а вообще — шикарно. Живешь вот, и думаешь, что скучно, никаких тебе полётов в космос, никаких тебе телепортаций и прочих путешествий во времени, будто бы прогресс просто стоит и все. Хочется всего и сразу. А иногда читаешь очередную статью, и понимаешь, прогресс то вот он, — идет. Не всё так плохо, как казалось.
                          +19
                          Ну, тут правда зависит от школы. Я вот помню как наш физик говорил «представьте, я — волна»…
                            +31
                            Но-о-ва-а-я-а волна…
                              +13
                              И ведь, если вспомнить квантовую физику, — он не врал!
                                +1
                                Электромагнетизм, второй курс.
                                  +4
                                  Корпускулярно-волновой дуализм. Луи де Бройль. 1923г.
                                    0
                                    А нам правда начало рассказывали еще в школе. Правда я, к сожалению, пожалуй уже все забыл :(
                                  –1
                                  Да какая разница, как он говорил, главное, чтобы поняли в итоге.
                                  +1
                                  Может потому, что был ественно-научный класс (в общеобразовательной школе), но у нас было и оптическая плотность и разная скорость света в этих средах. И закон полного отражения, с пометкой, что если бы не так, то скорость света превышалась бы (а не только по отношению синусов). Да, не всё, но было.
                                    0
                                    Про скорость света, конечно, бред сказанул. Помнится вроде ещё какой-то подвох (не только геометрический) был.
                                      +4
                                      Отчего же?
                                      Подавляющее большинство считает что скорость света ~ 300 000 км/с.
                                      И скорость эл. тока такая же.
                                      И дескать, можно считать в разных задачках «за сколько мс обогнем земной шар через 10 роутеров с задержкой на каждом в 1 мс?» из одинаковыми.

                                      Однако скорость в стекле, а не в вакууме, (как все жестко помнят) совсем не 300 000 км/с, а в полтора раза меньше.
                                      И задачка начинает играть новыми гранями.

                                      И уж совсем дикость и невежество сказать мне что бывает движение чего-либо быстрее скорости света.
                                      А бывает! Свечение Черенкова-Вавилова. С оговорками, но быстрее!

                                      Вот на таких тонкостях — «среды», «раздел сред» и т.п. и появляются инновации. И очень хорошо, что есть люди, умеющие заглянуть за нарисованный в ВУЗ-е горизонт науки.

                                        0
                                        Не, скорость света в среде и эффект Вавилова–Черенкова то понятно. Бред в том, что скорость света не связана с внутренним отражением: от угла падения скорость зависеть не будет. Но с точки зрения волновых уравнений там что-то интересное было. Забыл уже просто.
                                          +1
                                          Там получается, что волновой вектор становится мнимым, поэтому волна вместо того, чтобы бежать внутрь менее плотной среды, начинает затухать экспоненциально. Но если эта среда тонкая, а дальше — снова более плотная, то волна будет «просачиваться» насквозь (если не ошибаюсь, очень хорошая аналогия квантовому туннелированию)
                                          0
                                          Я вот в универе так и не понял, как может скорость света быть меньше скорости света… Просветите?

                                          Или речь идет о скорости распространения света, и из-за того, что распространение не линейное, происходит задержка?
                                            0
                                            Тоже интересно, честно говоря. Не совсем понял эту концепцию. Ну и да, тоже склоняюсь к тому, что имелось ввиду скорость распространения, но тогда формулировка несколько неверна, мне кажется.
                                            • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                                +2
                                                Только неверно, что «из-за задержек на поглощение и переизлучение фотонов». Если же такое происходит, то меняется спектр излучения. В средах, считающихся оптически прозрачными, лишь незначительная доля фотонов поглощается атомами.
                                                  0
                                                  Какое ещё поглощение и переизлучение? Или я что-то путаю, или вы.
                                                  +1
                                                  После прочтения вот этого Эффект Вавилова-Черенкова для меня это было сюрпризом, но приятным, сам бы до этого наверное не додумался.
                                                  0
                                                  Солнечный зайчик может двигаться быстрее скорости света. Тень может двигаться быстрее. Групповая скорость волны может быть быстрее.

                                                  Эффект Казимира ещё вспомните :-)
                                                    0
                                                    Это не частицы.
                                                    0
                                                    По мне так самое крутое то, что свет можно остановить — то есть поместить в такую среду, где его скорость будет стремиться (или будет равна, не помню) к нулю.
                                                      0
                                                      Ага, поместите свет в зеркальный ящик, он там будет отражаться туда-сюда и никуда с места не сдвинется :-)
                                                      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                                      +2
                                                      И уж совсем дикость и невежество сказать мне что бывает движение чего-либо быстрее скорости света.

                                                      Скорости света в вакууме. А в конкретной среде нефотон может двигаться быстрее фотона.
                                                        0
                                                        Что угодно — вполне может двигаться со скоростью намного даже превышающей скорость света.
                                                        Пример: берем очень длинные две тонкие полоски чего-то гипотетического. Совмещаем ось вращения и раскручиваем в противоположных направлениях. И вот, точка пересечения прекрасно перемещается больше цэ.

                                                        Там, вроде, масса и/или информация не может быстрее перемещаться.
                                                  +1
                                                  эта линза только для монохромного света, нет?
                                                    –4
                                                    Похоже увеличительную линейку, которую в метро уже 100 лет продают
                                                    image
                                                    image
                                                      +26
                                                        +1
                                                        то линзы, а в статье — зонная пластинка. Фокусное расстояние обратно пропорционально длине волны;-)
                                                          0
                                                          В статье тоже линза
                                                            0
                                                            В статье не зонная пластинка.
                                                        0
                                                        Интересно, какой толщины, будет «пирог» из таких линз, чтобы сделать эквивалент линзы в моих очках на -8 диоптрий?
                                                          0
                                                          я думаю, вы не сможете увидеть получившуюся линзу в толщину.
                                                          +2
                                                          В году эдак 2002ом, состоятельный папа привез одной моей знакомой очки с похожими линзами. Если меня память не подводит, у нее около -3 было, при этом линзы были тонкие и плоские — меня, очкарика с многолетним стажем, это так поразило, что до сих пор помню.

                                                          Не уверен правда, что это были линзы Френеля, хотя кто его знает.
                                                            0
                                                            если поверхность была рифлёная — то френеля точно.
                                                            0
                                                            если сделают массовые для более широких волн, то будет фурор начиная от фототехники, заканчивая новыми космическими открытиями.
                                                              +1
                                                              «Как сообщается в пресс-релизе, новая линза способна преломлять волны «в широком диапазоне...»

                                                              А вот тут два вопроса:
                                                              1. Это одна конкретная линза может одновременно преломлять волны в широком диапазоне?
                                                              2. Коэффициент преломления для волн разной длинны одинаковый?
                                                                0
                                                                Ну alizar же, в оригинале: «the new device is completely scalable, from near-infrared to terahertz wavelengths,» — то есть «устройство масштабируемо от ближнего инфракасного до терагерцового излучения»

                                                                Статья так и вовсе называется «Aberration-Free Ultrathin Flat Lenses and Axicons at Telecom Wavelengths Based on Plasmonic Metasurfaces», авторы работали на длине волны 1.5 микрона и всё.
                                                                +19

                                                                Good news everyone!
                                                                  –1
                                                                  А плоские же!
                                                                  +3
                                                                  Не совсем понимаю из описания — это случайно не зонная пластинка Френеля (не путать с линзой Френеля)?
                                                                    +3
                                                                    Нет, это ближе к обычной линзе Френеля, только разность фаз набирается не за счёт толщины материала, а за счёт этих микроантенн.
                                                                      0
                                                                      На мой-то взгляд всё это более похоже всё же на линзу Френеля.
                                                                      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                                                          +1
                                                                          Как уже написали. Это скорее линза Френеля. Только необходимая разница оптических путей (или, более точно, набег фазы для волнового фронта) достигается не за счёт толщины материала, а другими методами. Можно провести аналогию с градиентными линзами
                                                                          +5
                                                                          Чем же фотографы теперь мерятся будут, если все объективы станут короткими?
                                                                            0
                                                                            Как сейчас меряются планшетами: «У кого тоньше.»
                                                                              +1
                                                                              Это не по Фрейду.
                                                                              0
                                                                              В фотошопах придется накладывать lens flare, как сейчас это делают в мегаиграх, дабы показать «реалистичность» 3дграфики.

                                                                              0
                                                                              > которая преломляет световые волны так же, как обычная объёмная линза, но без оптических искажений.
                                                                              чушь. если она преломляет так же как обычная линза (то есть, если есть понятие фокуса) — то от некоторых аберраций никуда не денешься — дисторсии и кривизны поля, например. это обусловлено геометрией распространения излучения.
                                                                                +2
                                                                                а) делайте поправку на то, что автор, судя по всему, не очень понимает о чём пишет

                                                                                б) источник аберраций — отклонение волнового фронта за линзой от сферической формы. В частности, для сферической линзы аберрации отсутствуют в параксиальном приближении (для лучей, проходящих «недалеко» от центра), но лучи «проходящие» далеко от центра линзы портят картину. В статье заявлено, что созданная линза, создаёт фазовый сдвиг соответствующий сферическому фронту по всей своей площади, то есть аберраций быть не должно.
                                                                                  0
                                                                                  давайте рассмотрим дисторсию:
                                                                                  дисторсия появляется от того, что лучи падающие на линзу на большей высоте отклоняются сильнее. но это главное свойство линзы, иначе, лучи параллельные оптической оси и падающие на линзу на разной высоте не сойдутся в фокусе. соответственно, если исправить дисторсию, то уменьшится разрешающая способность в параксиальной области, как раз. или я что-то забыл из оптики? )
                                                                                    0
                                                                                    Не могу сказать, что я очень много знаю о дисторсии. Насколько я понимаю, появляется она не потому что «лучи падающие на линзу на большей высоте отклоняются сильнее», а потому что «сильнее/слабее, чем нужно», чего для идеальной линзы (дающей идеально «сферический» набег оптического пути) происходить не должно. В данном случае я вижу именно идеальную линзу, которая даёт точно необходимую добавку к фазе, которая из-за крайне малой толщины ещё и не зависит от направления хода луча (хотя в этом, кстати, я не уверен, недостаточно подробно прочитал оригинальную статью), так что оставаться должны только искажения, связанные с конечным размером линзы.
                                                                                    0
                                                                                    а у линз Френеля такой фишки ж не должно быть, да? там же толщина слоя практически не меняется с радиусом…
                                                                                  +5
                                                                                  Технология интересная и с большими перспективами. Представим, что на пластинке с линзой размещена управляющая схема, которая может менять конфигурацию антенн при помощи микромеханики. Адаптивная оптика на новом уровне? Объектив-трансфокатор из одной пластинки без подвижных частей?
                                                                                    +1
                                                                                    Ничего нового.
                                                                                    >Но не за горами то время, когда будет создан коммерчески доступный метаматериал нанометровой толщины и для видимого света
                                                                                    Пока еще за горами.
                                                                                      0
                                                                                      Это ж какие возможности для телескопов, объективов для фотоаппаратов… Да даже можно оптический зум будет встраивать в пределах камеры смартфона без увеличения толщины. Действительно интересное открытие, я бы даже сказал очевидное, как все гениальное.
                                                                                        0
                                                                                        Как у этой линзы дела обстоят с абберациями?
                                                                                        А от плоскости поляризации света угол преломления зависит?
                                                                                        Сколько такая линза стоит, в конце концов?

                                                                                        Ну правда, на кого эта статья рассчитана? Как будто телевизор смотришь — рассказали какой-то маркетинговый буллшит, сопровождаемый какими-то обрывками научных сведений, про все детали умолчали. Это уровень технического ресурса?
                                                                                          +1
                                                                                          На автора топика посмотрите.
                                                                                            +2
                                                                                            Судя по тому, что изменяют фазу при помощи настроенных наноантенн — эти линзы будут очень узкополосными, так что про применение вместо классических линз в оптике типа телескопов или фотоаппаратов имхо можно забыть. А вот в оптоволоконной технике это отличная находка: плоская, легко изготавливается, не требует сложной механики для обработки.
                                                                                              0
                                                                                              Для того, чтобы привить интерес например к математике, не надо выписывать сложные интегральные исчесления на шесть поверхностей. (С точки зрения специалиста это очень изящно и полности отвечает на вопрос как было решено). А для таких как я например достаточно в простой и доступной форме, или для человека, пока не увлекающегося, рассказать о возможностях и способах решения его каждожневных проблем. Понравилась цель, изяшность решения, необходимость в таком устройстве на моем производстве, я сам нагуглю что надо. Пару конференций было, более подробные научные доклады наверняка уже есть, источник разработки известен, можно и напрямую запросить информацию в этоху интернета.
                                                                                              +1
                                                                                              Ох уж этот журнализм, люди изобрели очередную технологию голографических оптических элементов…
                                                                                              А сама-же по себе голографическая оптика известна давно.
                                                                                                +1
                                                                                                Зонная пластинка Френеля — «те же яйца, вид сбоку». Хроматическая аберрация просто офигительная обещается — фокусное расстояние обратно пропорционально длине волны.
                                                                                                  0
                                                                                                  Авторы оригинальной статьи и не претендуют на использование линзы в широком спектральном диапазоне.
                                                                                                    0
                                                                                                    Это не банальная и избитая временем зонная пластина, тут антенны — действительно что-то новое, я такого раньше не видел.
                                                                                                    0
                                                                                                    Статья от Ализара. Ищу подвох.
                                                                                                      +1
                                                                                                      Просто комменты почитайте.

                                                                                                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                                                                    Самое читаемое