Shalaginov et al. / arxiv.org, 2019
Ученые из Массачусетского технологического института создали сверхширокоугольную панорамную металинзу. Поскольку ее поле зрения превышает 170 градусов, линзу можно отнести к категории «рыбий глаз», что ранее было недостижимо для однослойной метаповерхности. Изобретение рассчитано на средний инфракрасный диапазон, но доказывает практическую возможность создания однослойных металинз с широким углом зрения и для других диапазонов. Статья опубликована в ASC Nano.
«Рыбьим глазом» называют сверхширокоугольные объективы, которые позволяют получить кадры с углом обзора до 180 градусов или даже больше. Расплачиваются за такой широкий угол зрения качеством снимка: прямые линии вдали от центра кадра на нем видны как изогнутые, будто при взгляде из-под воды. Такие объективы используются там, где угол зрения важнее качества, а некоторые снимают через рыбий глаз в художественных целях.
Классические линзы используют преломление лучей между средами с разными скоростями света. Поскольку даваемое ими изображение зависит от точной формы границы этих сред, изготовление линзовых стекол — очень тонкий и трудоемкий механический процесс, который невозможно серьезно упростить. Совсем иначе работают металинзы: в них лучи изменяют траекторию не на границе сред, а под действием оптических наноантенн, встроенных в массив метаматериала. Металинзы могут быть толщиной в доли микрона, и совершенно плоскими.
Михаил Шалагинов из МIT и его коллеги изготовили металинзу, чей угол обзора превышает 170 градусов. Строго говоря, достижение эффекта рыбьего глаза не было целью работы. Главной задачей ученых было преодолеть основную проблему оптических схем с единственной металинзой — очень узкое поле зрения, ограниченное конусом с углом вершины в несколько градусов. Изображение за пределами этого угла подвергается аберрациям кома и кривизны поля, которые при удалении от центра кадра набирают такую силу, что линза перестает работать.
Для решения этой проблемы несколько наборов мета-атомов Гюйгенса из теллурида свинца расположили концентрическими кругами на субстрат из фторида кальция толщиной два миллиметра. Характеристики наборов зависели от формы мета-атомов, а также особенностей их расположения. На другой стороне субстрата расположили апертуру (отверстие для света) диаметром в миллиметр. В этом разнесении апертуры и метаповерхности заключается основное новшество: лучи, входящие в объектив под разными углами, падают на разные участки металинзы.
Слева – то, как лучи расходятся в разные участки линзы, справа – линза под микроскопом, видны ее разнородные участки
Shalaginov et al. / arxiv.org, 2019
Это позволяет разместить мета-атомы разного вида в таких конфигурациях, чтобы в каждой точке находился тот набор, который адаптирован для соответствующего угла падения. Таким образом, строго формально угол зрения металинзы в каждой точке остается маленьким, но это не имеет никакого практического значения, поскольку каждый набор мета-атомов отвечает за свой участок изображения. Объект под большим углом спроецируется на тот участок метаповерхности, который рассчитан на этот угол, и пройдет через оптическую систему без критических аберраций.
Тестовый образец предназначен для среднего инфракрасного диапазона, но авторы утверждают, что схему можно адаптировать для любой частоты. Как было сказано выше, рыбий глаз — не является конечной целью ученых, они стремились продемонстрировать технологию создания металинз с практически неограниченным углом обзора.
Несколькими годами ранее ученые научили металинзу работать во всем видимом диапазоне. Подробно о том, как работают метаповерхности, читайте в материале «Игры со светом».
Василий Зайцев