Nanotechnologia zdefiniuje optykę na nowo

0
179

Ta wiadomość jest dla mnie ważna z wielu powodów. Wynika to głównie z tego, że wiele moich zainteresowań i pasji opiera się o prawa fizyki światła, czyli mówiąc krótko – wykorzystuję optykę wszelakiej maści. Czy to fotografia, czy astronomia, czy nawet wirtualna rzeczywistości – we wszystkich tych dziedzinach optyka odgrywa kluczową rolę.

Co więcej, wszędzie tam optyka stanowi poważną barierę fizyczną lub cenową (jedno wynika z drugiego). Pewnie większość czytających to osób zdaje sobie sprawę z cen obiektywów fotograficznych, czy dobrych teleskopów. Główny udział w ich cenie to optyka, a w zasadzie walka z fizyką światła, która jest niezwykle trudna i przez to kosztowna. Praktycznie niemożliwe jest zbudowanie perfekcyjnego układu optycznego, bo zawsze występują tzw. aberracje, czyli zniekształcenia fali spowodowane różnymi czynnikami. Znamy aberracje sferyczne, chromatyczne, astygmatyzm, komę i wiele, wiele innych parszywych efektów działania optyki.

Canon_EF_200-400mm_cut
Optyka wysokiej jakości na przykładzie obiektywu Canon EF200-400. Widoczna duża ilość soczewek mająca na celu walkę z wadami optycznymi.

Wy znacie te zjawiska z gogli VR mimo, że pewnie nie zdajecie sobie z tego sprawy. To nie ekrany, czy sensory ruchu są największym wyzwaniem przy budowie takich gogli, ale właśnie optyka, która spędza sen z powiek projektantów. W zasadzie nie da się dzisiaj zrobić tego do końca dobrze. Nie da się zaprojektować optyki dla VR, która byłaby lekka, odwzorowywała obraz wysokiej jakości, nie miałaby widocznej tęczy (aberracji chromatycznej), dawałaby duże pole widzenia, i do tego byłaby tania. To po prostu nierealne.

arri_l_483141_e_7_reflector_fresnel_lens_995250
Tak wygląda soczewka Fresnela. Nietrudno zgadnąć dlaczego nazywa się je pierścieniowymi.

Dlatego zarówno Oculus jak i HTC poszli na spore kompromisy. Zdecydowali się zastosować dosyć nowatorskie, w tej dziedzinie, rozwiązanie, czyli tzw. soczewki Fresnela. To pozwoliło uzyskać znacznie mniejszą wagę, wyeliminować aberracje chromatyczne, oraz uzyskać w miarę niską cenę (materiał do produkcji takich soczewek jest tani). Niestety zapłaciliśmy za ten kompromis w innych kryteriach. Załamujące światło pierścienie powodują w soczewkach Fresnela spory spadek kontrastu i wytwarzają tzw. ghosting (poświatę odśrodkową) – szczególnie jest to widoczne tam, gdzie scena ma duży kontrast (czarne tło). Skomplikowany rachunek „za” i „przeciw” musieli wykonać projektanci gogli bardzo skrupulatnie. Ja się z ich decyzjami zgadzam i uważam, że to dobry kierunek, niemniej jednak, na tym polu jest bardzo wiele do zrobienia.

321px-Fresnel_lens.svg
Porównanie soczewki Fresnela (1) z odpowiednikiem klasycznej soczewki sferycznej (2).

W astronomii i fotografii używa się bardzo drogich egzotycznych szkieł. Szczególnie znanym i cenionym minerałem w tych branżach jest naturalny fluoryt. Jego kluczową cechą jest bardzo niski współczynnik dyspersji światła, czyli mówiąc kolokwialnie – nie rozszczepia światła na składowe widma (tak jak typowy pryzmat). To oznacza, że układ optyczny zbudowanych z takiego materiału, odpowiednio zaprojektowany, będzie praktycznie wolny od najbardziej widocznej wady optycznej – aberracji chromatycznej (kolorowych obwódek w kontraktowych miejscach przypominających tęczę). Wadą fluorytu jest jego kruchość, co przekłada się na bardzo niską efektywność produkcji. Za jedną soczewkę średnicy kilkunastu centymetrów trzeba zapłacić równowartość kilku Oculusów więc nie możemy się spodziewać, że w goglach VR kiedykolwiek spotkamy takie szlachetne minerały.

Jest nadzieja – nadchodzi nanotechnologia

Do niedawna nie miałem żadnej nadziei na poprawę sytuacji. Sądziłem, że fizyka będzie tu nie do pokonania – po prostu. A jednak! Wygląda na to, że poważnie się myliłem – podobnie jak w innych dziedzinach, w których wkraczająca nanotechnologia zamieniła fizyczne bariery w prawdziwą magię.

Jak donoszą amerykańscy (a jakże by inaczej) naukowcy z Uniwersytetu Harwarda, udało im się opracować cienką i płaską soczewkę. Pisząc „cienką” mam na myśli naprawdę cienką, bo nałożona na szkło warstwa nano-struktury jest cieńsza od ludzkiego włosa (0,002 mm).

_89867771_-sems_scalebar2micronmeter
Metasoczewka z widoczną nano-strukturą która zmienia bieg promieni światła nie wprowadzając wad optycznych

Co ciekawe, jest nie tylko pozbawiona typowych wad optycznych, posiada niezwykle małe rozmiary, ale także daje znacznie lepszą jakość obrazu od hi-endowych układów optycznych kosztujących fortunę (nawet porównując tylko środek pola, który w typowych układach jest zawsze najlepszy).

Wynalazca nano-soczewki Federico Capasso jest przekonany, że jego technologia zrewolucjonizuje wiele branż. Trudno się z nim nie zgodzić, bo im więcej o tym czytam, tym bardziej otwierają mi się oczy.

Soczewka Capasso, w odróżnieniu od typowych wypukłych soczewek zaginających i rozpraszających światło, zmienia właściwości fali światła za pomocą mikroskopijnych nano filarów (wypustek? – nie wiem nawet, jak to nazwać) napylonych na kwarcowe szkło. Każda taka wypustka „kroi światło” w inny sposób, zmieniając jego kierunek. Dlatego istotne jest odpowiednie rozłożenie takiej nanostruktury (wzór), którą projektuje się na komputerze i wytwarza w podobny sposób jak znane każdemu chipy komputerowe. To oznacza, że tego typu soczewki mogą być produkowane w tych samych fabrykach przy dobrze znanych procesach technologicznych. Do napylania użyty jest dwutlenek tytanu, który poza tym, że posiada świetne właściwości interakcji ze światłem, to jeszcze do tego jest bardzo tani.

To właśnie te procesy produkcyjne są wg mnie najbardziej rewolucyjne. Dzisiejsze soczewki produkowane są niezmiennie od 19 wieku praktycznie manualnie (analogowo w bardzo nieefektywny sposób). Nowa filozofia oznacza, że koszt optyki stanie się pomijalny. To prostu jest ultra tanie przy masowej skali.

Pierwszym oczywistym zastosowaniem nowej technologii będą smartfony. Możemy spodziewać się znacznie lepszej jakości zdjęć, dalszej miniaturyzacji i spadku ceny. Kolejne pola rewolucji, które zarysowują twórcy, to: kamery do kontroli jakości w fabrykach, lekka optyka dla wirtualnej rzeczywistości oraz szkła kontaktowe. Ale dodają także, że każda branża bazujące na optyce będzie mogła skorzystać z tej dobroci. Ja dorzucam astronomię, bo ten sektor bardzo potrzebuje innowacji tego typu i widzę w nim ogromne benefity – wręcz rewolucyjne.

_89867775_img_1040

W tym miejscu warto jeszcze dodać, że w zasadzie nie ma żadnych ograniczeń co do wielkości takich soczewek. Potrzebujesz 20 cm? Nie ma najmniejszego problemu. Tak samo, poprzez zmianę materiałów użytych do napylenia nanostruktury, możemy zmieniać zakresy widma, które poddają się soczewkom. Naukowcy uzyskali zaskakująco dobre wyniki od podczerwieni, aż po ultrafiolet.

Pozostaje nam zaczekać na produkty, w których użyto „metasoczewek”. Ja nie mogę się doczekać. Wreszcie skończą się problemy z wielkimi i ciężkimi teleskopami, czy rozmytym obrazem w goglach wirtualnej rzeczywistości.