Миниатюрные линзы с большим полем зрения

Скопировав идею многофасеточного глаза насекомого, инженеры из университета Висконсин-Мэдисона создали миниатюрные линзы с обширной зоной видения.

Благодаря их новому подходу созданы первые в мире гибкие микролинзы с зонными пластинками Френеля с широким полем зрения – разработка, которая может позволить любому устройству, от применяемых в хирургии до видеокамер безопасности, охватить более широкую перспективу частью размера, требующегося для обычных линз.

Под руководством Х. Цзяна (Hongrui Jiang), профессора электротехники и вычислительной техники университета, исследователи разработали линзы не больше булавочной головки со встроенным в них гибким пластиком. Массив миниатюрных линз, свернутых в цилиндр, может захватывать панорамное изображение в пределах 170-градусного поля зрения.

«Мы получили идею от составных глаз, - говорит Цзян, чья работа была опубликована в журнале Scientific Reports. - Мы знаем, что несколько линз в куполообразной структуре дают большое поле зрения».

К тому же, исследователи могут свободно изменить конфигурацию массива линз, потому что, вместо того, чтобы полагаться на обычную оптику для фокусировки, они использовали зонные пластинки Френеля.

Обычные линзы используют преломление - направление света изменяется, когда проходит через различные вещества (как правило, жесткие, полупрозрачные, такие, как стекло), фокусирующие его в одной точке. Названные по имени инженера 19-го века Френеля зонные пластинки фокусируют путем дифракции – изгибая свет, когда он проходит край препятствия.

Каждая из полумиллиметровых в диаметре линз Цзяна напоминает круги на воде, расходящиеся от брошенного камня. Как в яблоке мишени, светлые и темные концентрические кольца чередуются. Расстояние между кольцами определяет оптические свойства линзы, и исследователи могут регулировать эти свойства в отдельной линзе, растягивая и изгибая ее.

Предыдущие попытки создать линзы с зонными пластинками Френеля потерпели неудачу из-за нечеткости видения.

«Темные участки должны быть очень темными, - объясняет Цзян. - По сути, они должны полностью поглощать свет. Трудно найти материал, который совсем не отражает или не пропускает».

Его команда преодолела это препятствие, использовав черный кремний, чтобы поймать свет внутрь темных участков линз. Черный кремний состоит из кластеров микроскопических вертикальных столбиков, или нанопроволок. Входящий свет, прыгая между отдельными кремниевыми нанопроводами, не может вырваться из сложной структуры, что делает материал темнее темного.

Вместо того, чтобы накладывать слои черного кремния на прозрачный фон, Цзян и его команда создавали свои линзы «вверх дном». Сначала они установили шаблоны из алюминиевых колец на верхнюю часть твердых кремниевых пластин и произвели травление кремниевых нанопроводов между алюминиевыми кольцами. Затем они залили полимер между столбиками кремниевых нанопроводов. После того, как пластиковая опора затвердела, они вытравили кремниевую прокладку, оставляя «яблочко» с узором из черного кремния, включенного в эластичный пластик.

Этот подход обеспечил их линзам возможность беспрецедентно четкого фокусирования, а также гибкость, что позволяет им охватить большое поле зрения.

Цзян и его команда изучают способы интеграции линз в существующие оптические детекторы и непосредственного включения кремниевых электронных компонентов в сами линзы.