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2025-03-02 00:54:00
ユタ州の研究者は、太陽と月のテスト画像で平らなレンズの能力を実証しました。クレジット：ユタ大学メノンラボ
ユタ大学の科学者チームは、色の歪みを排除しながら、従来の湾曲したレンズの力に合ったフラットレンズを設計しました。
顕微鏡リングを使用して光を操作すると、このブレークスルーは、宇宙望遠鏡と天体写真撮影機器をより軽く、より実用的にする可能性があります。
従来のレンズの再考
何世紀にもわたって、レンズは湾曲したガラスまたはプラスチックに依存して、光を曲げて画像を焦点にしました。ただし、レンズをより強力にする必要があるほど、大きくて重くなります。科学者は、パフォーマンスを損なうことなく軽量レンズを作成する方法を長い間求めてきました。いくつかのより薄い代替品は存在しますが、それらにはしばしば制限があり、生産が困難で高価です。
新しい種類のフラットレンズ
ユタ大学エンジニアリング教授のRajesh Menonが率いる研究チームは、有望な新しいソリューションを開発しました。正確な色を維持しながら、従来の湾曲したレンズと同じくらい効果的に光を焦点を合わせた大規模なレンズです。このブレークスルーは、航空機、衛星、宇宙ベースの望遠鏡など、サイズと体重を最小限に抑えることが重要であるアプリケーションのために、天体写真と望遠鏡の設計に革命をもたらす可能性があります。
ジャーナルの表紙で紹介された彼らの最新の研究 適用された物理文字、メノンラボのメンバーであるApratim Majumderが率いており、電気工学部の研究助教授です。共著者には、メノンラボの仲間であるアレクサンダーインゴルドとモンジュルルミーム、物理学および天文学局のタナーオブレイとポールリケッツ、およびオブラートオプティクスのニコールブリムホールが含まれます。
研究者たちは、太陽と月のテスト画像で平らなレンズの能力を実証しました。クレジット：ユタ大学メノンラボ
バルクバリアを破る
虫眼鏡を使用したことがある場合は、レンズが光を曲げてオブジェクトを大きく見せることがわかっています。レンズが厚くて重いほど、光が曲がり、倍率が強くなります。日常のカメラや裏庭の望遠鏡の場合、レンズの厚さは大きな問題ではありません。しかし、数百万光年離れたところに望遠鏡が銀河から光を集中しなければならない場合、レンズの大部分は非現実的になります。そのため、天文台と宇宙ベースの望遠鏡は、レンズよりもはるかに薄く軽くなることができるため、同じ光を曲げる効果を実現するために、大規模で湾曲した鏡に依存しています。
フラットレンズの制限
科学者はまた、異なる方法で光を操作するフラットレンズを設計することにより、かさばりの問題を解決しようとしました。フレネルゾーンプレート（FZP）と呼ばれる1つの既存のタイプは、同心円状の尾根を使用して、厚い湾曲した表面ではなく、光を集中させます。この方法では軽量でコンパクトなレンズが作成されますが、トレードオフが付属しています。真の色を生成することはできません。目に見える光のすべての波長を同じ角度で曲げるのではなく、FZPの尾根は異なる角度でそれらを回折し、色素異常または色の歪みを伴う画像をもたらします。
研究者のフラットレンズの微視的なインデントの同心円状の環は、すべての波長の光を同時に焦点にするように最適化されています。クレジット：ユタ大学メノンラボ
軽い曲げへの革新的なアプローチ
Rajesh Menonと彼のチームに参加します。彼らの新しいフラットレンズは、FZPの色の歪みを避けながら、従来の湾曲したレンズと同じライトベンディングパワーを提供します。
「当社の計算手法は、可視スペクトル全体に光を集中できる大きな開口部でマルチレベルの回折フラットレンズを設計できることを示唆しており、ユタナノファブに実際に作るリソースがあります」
高精度の光学ソリューションのエンジニアリング
重要な革新は、研究者が基板上でパターン化できる顕微鏡的に小さな同心円状のリングにあります。単一の波長に最適化されたFZPの尾根とは異なり、フラットレンズのインデントのサイズと間隔は、回折波長の光の波長を十分に近くに保ち、フルカラーのインフォーカス画像を生成します。
「非常に大きなデータセットを含む複雑な計算上の問題の解決を伴う、目に見えるものから近赤外まで、非常に大きな帯域幅でこれらのレンズの性能をシミュレートする」とMajumder氏は述べた。 「レンズの微細構造の設計を最適化すると、製造プロセスには非常に厳しいプロセス制御と環境安定性が必要でした。」
天文学とそれ以上の変容
大きくて平らな色の付いたレンズは、業界全体で大きな影響を与える可能性がありますが、その最も即時の適用は天文学です。研究者たちは、太陽と月のテスト画像で平らなレンズの能力を実証しました。
「私たちのデモンストレーションは、空気と空間ベースの望遠鏡で使用するためのフルカラー画像をキャプチャする能力を備えた、非常に大きな口径の軽量レンズを作成するための足がかりです」とマジャムダーは言いました。
参照：Apratim Majumder、Monjurul Meem、Alexander Ingold、Paul Ricketts、Tanner Obray、Nicole Brimhall、Rajesh Menon、2025年2月3日、「直径100 mmのf/2ポリマーフラットレンズを備えた色の天体写真」 適用された物理文字。
doi：10.1063/5.0242208
この研究は、防衛先進研究プロジェクト局、またはDARPA（FA8650-20-C-7020 P00001）、海軍研究室（N00014-22-1-2014）、およびNASA（NNL16AA05C）によってサポートされました。このコンテンツは著者の責任のみであり、必ずしもこれらの資金調達機関の公式見解を表すものではありません。 Monjurul Meemは現在、Intelのプロセスエンジニアです。
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