Современные телескопы предлагают нам заманчивый вид на то, что находится в необъятных просторах космоса, а также дают нам возможность заглянуть в прошлое Вселенной. Однако создание телескопов, которые могут заглянуть в глубины космоса, является невероятно технической и дорогой задачей, но благодаря новым исследованиям это может измениться.
Вот как инновационная плоская линза может решить эти проблемы для спутников и космических телескопов.
Понимание телескопов и ограничений линз
Линзы, фундаментальный элемент телескопов, особенно сложны с инженерной точки зрения. Стеклянные линзы имеют свой набор ограничений, таких как хроматические аберрации, приводящие к проблемам с цветной окантовкой и размытостью изображений из-за сложностей настройки фокуса. Ученые исследовали ахроматические линзы, но они не решают проблемы полностью.
Однако наибольшую озабоченность вызывают объем и размер линз, а также сопутствующий комплект, в который они помещаются. По мере увеличения линзы ей требуется больше места на борту телескопа и более прочные опорные конструкции. В результате вес и размер таких телескопов достигают уровня, на котором грузоподъемность становится еще одной проблемой. Стоимость запуска этих телескопов резко возрастает, а вместе с ней и проблема поддержания их структурной целостности в космосе.
Решение этих фундаментальных проблем может быть довольно простым, по мнению экспертов из Университета Юты. Их предложение заключается в замене изогнутых линз плоской линзой с большой апертурой. Примечательно, что, согласно их тестам, эти плоские линзы не только столь же эффективны в фокусировке световых данных, но и решают присущие изогнутым линзам проблемы цветокоррекции.
Как работает плоская линза?
Чтобы оценить работу своей уникальной линзы, команда создала специализированную оптическую тестовую платформу в контролируемой среде, где они могли точно оценить ее оптические свойства. Затем исследователи установили линзу в функциональную конфигурацию телескопа и сделали реальные снимки Солнца и Луны. Результаты оказались обнадеживающими, поскольку телескоп обеспечивал достаточную резкость и разрешение, чтобы четко различать солнечные пятна.
Чтобы развеять все сомнения, это не те пятна, которые вы видите на Солнце во время затмения. Вместо этого солнечные пятна — это темные области на поверхности Солнца, вызванные магнитной активностью, влияющей на поток горячих газов. Солнечные пятна нелегко запечатлеть, поскольку огромная яркость требует тщательной калибровки экспозиции и фильтрации, чтобы различить темные пятна. Более того, из-за расстояния между телескопами и Солнцем требуется комплект для получения изображений с большим увеличением и высоким разрешением.
В дополнение к солнечным пятнам, плосколинзовый телескоп также смог запечатлеть уникальные детали поверхности Луны. Этот высокий уровень детализации подтвердил способность линзы собирать и фокусировать свет с высокой точностью, что является обнадеживающим признаком того, что ее можно использовать для астрономических наблюдений.
«В случае успеха эти плоские линзы могут привести к более простым и дешевым системам получения изображений на борту воздушных и космических аппаратов для астрономии и наблюдения за Землей», — говорит Раджеш Менон, ведущий автор статьи, опубликованной в журнале Applied Physics Letters. Менон также подчеркнул огромный потенциал их плоской линзы в снижении стоимости телескопов благодаря значительному уменьшению веса и размера, которого она помогает достичь.
Изогнутые линзы против плоских зеркал
В основном существуют два типа телескопов: те, которые полагаются на линзы, и второй и более продвинутый класс, которые полагаются на зеркала. Оба типа телескопов следуют разным подходам к тому, как они взаимодействуют со светом.
Например, культовый космический телескоп Хаббл относится к последней категории. Главное зеркало этого плавающего космического телескопа представляет собой диск из специального стекла диаметром 7.9 футов и весом 1,825 фунтов.
Работа линзового телескопа основана на процессе, называемом рефракцией, который по сути является изгибом света при прохождении через другую среду. Когда линза установлена внутри телескопа, рефракция заставляет далекие объекты казаться ближе. Чем дальше вы хотите видеть, тем толще должна быть линза. В результате для наземных телескопов дальнего действия линзы быстро становятся огромными и тяжелыми. Они также должны быть практически свободны от любых дефектов поверхности или материала, иначе они будут давать размытые изображения с неточностями цвета.
Зеркальные телескопы используют концепцию отражения света. По сравнению с линзами зеркала могут быть тонкими и легкими, несмотря на большую площадь основания. Благодаря этим фундаментальным преимуществам зеркальные варианты, такие как космические телескопы Хаббла и Джеймса Уэбба, произвели революцию в астрономии. Но они не лишены ограничений. Зеркала требуют постоянной очистки и обслуживания, чтобы избежать ухудшения поверхностного покрытия и накопления пыли из-за факторов загрязнения атмосферы, которые также влияют на наземное наблюдение за звездами.
Их выравнивание также необходимо периодически фиксировать, чтобы они не давали размытых изображений. Они также более чувствительны к факторам окружающей среды, таким как высокие температуры, изменяющие форму их поверхности, как телескоп Хаббл, который был разработан примерно за 2 миллиарда долларов, но на данный момент обошелся в эквивалент 16 миллиардов долларов на общую эксплуатацию и обслуживание.
Готовность к дальнему захвату цвета
Плоская линза, разработанная экспертами из Университета Юты, стремится занять золотую середину между традиционной изогнутой линзой и зеркальной системой для строительства телескопов. Плоская линза, которая технически называется многоуровневой дифракционной линзой (MDL), имеет диаметр 100 миллиметров и собственное фокусное расстояние 200 мм.
В отличие от предыдущих попыток создания плоской линзы с концентрическими кольцами, которые не смогли обеспечить точную цветопередачу, новая плоская линза MDL может фокусировать световые сигналы, охватывающие диапазон цветов, видимых человеческим глазом, и обеспечивать более четкие изображения. Поверхностные кольца были созданы с использованием техники, называемой литографией в оттенках серого. Толщина этой плоской линзы составляет всего 2.4 микрона, но ее самым большим достижением является то, что она может охватывать длины волн в диапазоне от 400 до 800 нанометров.
«Наша демонстрация — это шаг на пути к созданию легких плоских линз с очень большой апертурой, способных получать полноцветные изображения для использования в телескопах воздушного и космического базирования», — говорит Апратим Маджумдер, преподаватель кафедры электротехники и вычислительной техники университета.
Команда также экспериментировала с интеграцией MDL с другой линзой для создания гибридной конструкции телескопа. Согласно исследовательской работе, устройство было способно захватывать и разрешать детали на Солнце, Луне и дальних наземных сценах. Теперь команда продвигает свою концепцию плоских линз как легкую замену обычным рефракционным системам в дальних астрофотографических системах.
Этот прорыв в области плоских линз имеет потенциал не только ускорить развертывание недорогих космических миссий, но и открывает огромные перспективы для наземного анализа. Было бы интересно посмотреть, как скоро этот проект, поддерживаемый DARPA, заявит о себе в научном ландшафте.
