تحولی در نجوم؛ لنز تختی که رنگ‌ها را دقیق ثبت می‌کند

برای قرن‌ها، لنز‌ها به یک شیوه عمل کرده‌اند: خم کردن نور از طریق شیشه یا پلاستیک منحنی برای ایجاد تصویر واضح. اما این لنز‌های سنتی یک مشکل اساسی دارندهرچه قوی‌تر باشند، بزرگ‌تر و سنگین‌تر می‌شوند.

به گزارش فیزیکس اوآرجی، دانشمندان مدت‌ها به دنبال راهی برای کاهش وزن لنز‌ها بدون افت عملکرد بوده‌اند. اگرچه برخی جایگزین‌های باریک‌تر وجود دارند، اما اغلب محدودیت‌هایی دارند و فرآیند ساخت آنها دشوار و پرهزینه است.

اکنون پژوهشگران دانشگاه یوتا، به رهبری راجش منون، استاد مهندسی در کالج مهندسی پرایس، موفق به ساخت لنز تختی با دیافراگم بزرگ شده‌اند که می‌تواند نور را مانند لنز‌های سنتی متمرکز کرده و رنگ‌ها را با دقت بالا ثبت کند. این پژوهش در مجله Applied Physics Letters منتشر شده است.

این فناوری می‌تواند سیستم‌های تصویربرداری نجومی را متحول کند، به‌ویژه در کاربرد‌هایی که فضا محدود است، مانند تلسکوپ‌های فضایی، ماهواره‌ها و تجهیزات مستقر در هواپیماها.

این تحقیق توسط آپراتیم ماجومدر، استادیار پژوهشی در دپارتمان مهندسی برق و کامپیوتر، رهبری شده و سایر اعضای آزمایشگاه منون از جمله الکساندر اینگولد، مونجورول میم، تانر اوبری، پل ریکتس از دپارتمان فیزیک و نجوم و نیکول برامهال از شرکت Oblate Optics در آن مشارکت داشته‌اند.

مشکل لنز‌های سنتی و راهکار جدید

لنز‌ها با خم کردن نور، اشیا را بزرگ‌تر نشان می‌دهند. هرچه لنز ضخیم‌تر و سنگین‌تر باشد، میزان خمیدگی نور و قدرت بزرگنمایی آن افزایش می‌یابد. در دوربین‌های معمولی و تلسکوپ‌های خانگی، این ضخامت مشکل‌ساز نیست، اما در تلسکوپ‌هایی که باید نور کهکشان‌های میلیون‌ها سال نوری دورتر را دریافت کنند، وزن و حجم لنز‌ها به یک چالش جدی تبدیل می‌شود.

به همین دلیل، تلسکوپ‌های رصدخانه‌ای و فضایی معمولاً از آینه‌های بزرگ و منحنی استفاده می‌کنند، زیرا در مقایسه با لنزها، نازک‌تر و سبک‌تر هستند و می‌توانند همان اثر خمیدگی نور را ایجاد کنند.

پژوهشگران برای حل مشکل حجیم بودن لنزها، روش‌های مختلفی را بررسی کرده‌اند، از جمله لنز‌های تخت که نور را به شیوه‌ای متفاوت کنترل می‌کنند. یکی از انواع موجود این لنزها، صفحات فرنل (FZP) هستند که به جای سطح منحنی، از شیار‌های متحدالمرکز برای تمرکز نور استفاده می‌کنند. با وجود وزن کم و طراحی فشرده، این لنز‌ها دارای یک نقص اساسی‌اند: نمی‌توانند رنگ‌ها را به‌درستی ثبت کنند. زیرا شیار‌های آنها، طول موج‌های مختلف نور را در زوایای متفاوتی می‌شکنند و این امر باعث ایجاد اعوجاج رنگی در تصویر نهایی می‌شود.

نوآوری لنز جدید

لنز تخت طراحی‌شده توسط منون و تیمش، همان قدرت تمرکز نور لنز‌های سنتی را دارد، اما بدون مشکلات اعوجاج رنگی که در صفحات فرنل دیده می‌شود.

راجش منون درباره این فناوری گفت: "محاسبات ما نشان داد که می‌توانیم لنز‌های تخت دیفرکتیو چندسطحی با دیافراگم‌های بزرگ طراحی کنیم که قادر به تمرکز نور در سراسر طیف مرئی باشند. همچنین، در آزمایشگاه نانوفناوری یوتا، امکانات لازم برای ساخت این لنز‌ها را در اختیار داشتیم."

کلید موفقیت این لنز در حلقه‌های متحدالمرکز ریزمقیاسی است که روی زیرلایه آن طراحی شده است. بر خلاف صفحات فرنل که برای یک طول موج خاص بهینه‌سازی می‌شوند، چیدمان دقیق فرورفتگی‌ها در این لنز باعث می‌شود که طول موج‌های مختلف نور در فاصله‌ای نزدیک به هم باقی بمانند و تصویری واضح و رنگی ایجاد کنند.

آپراتیم ماجومدر درباره پیچیدگی این طراحی گفت: "شبیه‌سازی عملکرد این لنز در یک بازه بسیار وسیع طیفی، از نور مرئی تا فروسرخ نزدیک، نیازمند حل مسائل محاسباتی پیچیده و پردازش حجم بالایی از داده‌ها بود. پس از بهینه‌سازی طراحی ساختار‌های میکروسکوپی لنز، فرآیند ساخت آن نیاز به کنترل دقیق و پایداری محیطی داشت."

لنز‌های تخت و سبک با دقت رنگ بالا می‌توانند تأثیر چشمگیری در صنایع مختلف داشته باشند، اما نخستین کاربرد آنها در حوزه نجوم خواهد بود. تیم پژوهشی قابلیت این فناوری را با ثبت تصاویری از خورشید و ماه آزمایش کرد.

ماجومدر در این باره افزود: "تحقیق ما گامی مهم در مسیر ساخت لنز‌های تخت با دیافراگم‌های بسیار بزرگ و توانایی ثبت تصاویر تمام‌رنگی برای استفاده در تلسکوپ‌های هوایی و فضایی است."

انتهای پیام/