Суперлинза – решена проблема 2000-летней давности
Все оптики знают, что даже на очень хорошем объективе ближе к краям изображения могут страдать от существенного снижения резкости. Всё дело в законах оптики — ещё древнегреческий математик Диокл в своей работе «О зажигательных зеркалах» сформулировал проблему, которую человечество не могло полностью преодолеть более двух тысяч лет. Дело в том, что линзы сделаны из сферических поверхностей и чем дальше световые лучи отклоняются от оптической оси линзы или падают на неё под углом, тем сильнее не совпадает фокус таких лучей из-за разницы в преломлении света. В результате центр получаемой картинки получается резче, чем края — это называется «сферическая аберрация».
В своей работе 1690 года «Трактат о свете» астроном Кристиан Гюйгенс отметил, что Исаак Ньютон и Готфрид Лейбниц пытались решить эту проблему созданием особых линз для фиксированного расстояния фокусировки, но не смогли.
В статье 1949 года Г. Д. Вассерман и Э. Вольф предложили апланатическую линзу, основанную на интеграле, который они нашли численными методами. Их решение было не аналитическим окончательным, а представляло собой приближение с помощью подбора на компьютере. Благодаря этому многие современные объективы включают асферические линзы для коррекции сферической аберрации, создавая сложные оптические группы. Эти исследователи сформулировали проблему Вассермана-Вольфа. Полноценное аналитическое решение этой проблемы помогло бы улучшить оптические системы везде: от очков и камер в смартфонах до телескопов и микроскопов.
Суперлинза без аберраций
В 2018 году докторант Национального автономного университета Мексики (НАУ) Гектор Чапарро-Ромо (Héctor Chaparro-Romo), пытавшийся решить проблему в течение 3 лет, привлёк на помощь докторанта Рафаэля Гонсалеса-Акунью (Rafael González-Acuña) из Монтеррейского технологического института. Ими была найдена общая аналитическая формула линзы. Эффективность подхода была проверена на 500 лучах — в результате средний результат для всех примеров составил 99,99999999999%. То есть разница в резкости на всей плоскости кадра составила 0,0000000001%.
Результаты были опубликованы в статье «Общая формула дизайна биасферических синглетных линз без сферической аберрации» в научном журнале «Прикладная оптика». Приведённое изображение показывает полученное учёными общее алгебраическое уравнение замкнутой формы для конструкции сферической линзы без аберраций. Она описывает зависимость формы второй асферической поверхности конкретной линзы от первой поверхности и фокусного расстояния. Вторая асферическая поверхность призвана устранить все аберрации, создаваемые первой поверхностью. Формула решает проблему Вассермана-Вольфа, сформулированную аналитически в 1949 году, но известную учёным около двух тысяч лет.
Суперлинза – общее аналитическое выражение
Появится ли в скором времени объективы, полностью избавленные от проблемы сферической аберрации? Не очевидно… Измерение и аттестация такой линзы с достаточной точностью является самостоятельной проблемой, которая может увеличить стоимость до астрономических высот. На практике вполне достаточно того уровня, который сегодня достигнут производственниками. Как известно, ОКБ «АСТРОН» изготавливает и проводит аттестацию асферических поверхностей. Наше оборудование предусматривает высокоточную шлифовку асферики высокоточную шлифовку асферики сферическим алмазным инструментом с точностью в пределах 1 мкм PV и полировку мембранным пневмоинструментом с полиуретановой рабочей частью.
