Ученые совершили прорыв в создании линз нового поколения. Они разработали сложную металинзу, которая устраняет искажения изображения. Работа опубликована в журнале Engineering. Вместо того чтобы бороться с оптическими дефектами, исследователи научились управлять ими по своему желанию, используя составные метаповерхности.

Металинзы — это тонкие структуры с наностолбиками, которые управляют светом. Их уже применяют для создания изображений, в системах навигации роботов и в проекторах.

Но одна проблема долго оставалась без внимания — оптическое искажение, из-за которого прямые линии на краю кадра выгибаются. Теперь ученые нашли универсальный способ эту проблему контролировать.

Секрет в архитектуре. Инженеры использовали не одну, а две метаповерхности, собранные вместе, как дуплет в классической оптике. Это дало им больше свободы для маневра. Они смогли настроить, как изображение меняется в зависимости от угла падения света, и свели искажения к минимуму, не ухудшив при этом резкость.

Чтобы доказать работоспособность идеи, команда изготовила сверхширокоугольную «рыбий глаз» на основе своей технологии. Результат впечатляет:

• Угол обзора составил 140 градусов.
• Искажение (так называемая «бочкообразная дисторсия») оказалось менее 2%.
  Для сравнения, обычная металинза без компенсации давала искажение до 22% — картинка была похожа на отражение в дверном глазке.

Саму метаповерхность создали из наностолбиков аморфного кремния на стеклянной подложке, а затем защитили полимерным покрытием. Дизайн просчитали на компьютере, доработали с помощью моделирования хода лучей, а для изготовления использовали электронно-лучевую литографию — метод, позволяющий создавать чрезвычайно мелкие детали.

Качество линзы проверили тщательно. Специальная установка с вращающейся оптической осью помогла измерить, как линза фокусирует свет от точечного источника (функцию рассеяния точки). Расчеты показали, что качество фокусировки остается близким к теоретическому пределу на протяжении всего огромного поля зрения. Это подтвердило высочайшую точность изготовления.

Затем ученые напрямую измерили искажения, сравнив угол падения луча с положением его изображения на матрице. Для новой линзы эта зависимость была практически линейной — именно то, что нужно для правильной картинки. Финальный тест был самым наглядным: линзой сфотографировали цилиндрическую панорамную мишень. Изображение с составной металинзы получилось практически идеальным, в то время как с одиночной линзы — сильно деформированным.

Эта технология открывает двери для множества применений. Ее можно использовать в камерах смартфонов, в датчиках беспилотных автомобилей и роботов, в медицинских эндоскопах и системах машинного зрения. Мир точной оптики становится более плоским, четким и управляемым.

Реальная польза этого исследования лежит в плоскости миниатюризации и унификации оптики. Сегодня сложные объективы, лишенные искажений, — это громоздкие сборки из множества стеклянных линз. Металинза, выполняющая ту же функцию, тоньше человеческого волоса. Представьте себе камеру смартфона толщиной в его корпус, но с качеством оптики полнокадровой зеркалки и углом обзора, как у экшн-камеры. Или крошечные, но сверхчеткие эндоскопы для неинвазивной хирургии. Для робототехники и автономных систем это означает компактные, легкие и недорогие лидары с точным восприятием окружающего пространства без программных корректировок искажений, что критично для скорости принятия решений. Исследование — это шаг к тому, чтобы высококачественная оптика перестала быть сложной, тяжелой и дорогой, став доступным и интегрируемым компонентом практически любого устройства.

Остается проблема в области практического внедрения и масштабирования. В работе использовалась электронно-лучевая литография — высокоточный, но медленный и дорогой метод, непригодный для массового производства. Неясно, можно ли достигнуть аналогичной точности и воспроизводимости результатов при использовании более дешевых методов нанопроизводства, таких как наноимпринтинг или фотолитография. Кроме того, металинзы на основе кремния, как правило, работают в узком диапазоне длин волн (часто в инфракрасном или ближнем ИК-диапазоне). В статье не акцентируется, для какого именно спектра оптимизирована линза, что оставляет вопрос о ее работе в видимом свете и цветовых искажениях (хроматических аберрациях). Таким образом, прорыв в дизайне бесспорен, но путь от лабораторного прототипа до коммерческого продукта потребует решения серьезных технологических задач.

Ранее ученые научились печатать линзы как книги.