"Lattalinssi" on värivirheetön

Julkaistu: 21.02.2015 / Markus Hotakainen

Erilaisissa optisissa laitteissa – esimerkiksi kaukoputkissa, kameroissa ja mikroskoopeissa – käytettävissä linsseissä on paha perusvika: kromaattinen aberraatio eli värivirhe.

Syynä ei ole huolimaton linssien hionta, vaan kyse on valon ominaisuudesta. Eri aallonpituudet eli värit taittuvat hieman eri tavalla sekä kulkiessaan ilmasta lasiin että linssin läpäistyään lasista takaisin ilmaan. Eri värit keskittyvät hieman eri polttopisteisiin, jolloin syntyvässä kuvassa kohteiden reunoilla näkyy sinistä ja punaista, pahimmillaan muidenkin värien kajastusta.

 

Kromaattista aberraatiota voi vähentää rakentamalla linssin erilaisista lasilaaduista, jotka taittavat valoa hieman toisistaan poikkeavalla tavalla, ja hiomalla elementit kuperiksi tai koveriksi siten, että niiden värivirheet kumoavat toisensa. Ratkaisu on kuitenkin työläs ja linssisysteemille kertyy sekä painoa että hintaa.

Kaukoputkissa ongelman voi välttää käyttämällä linssin sijasta koveraa, paraboloidin muotoista peiliä, jossa värivirhettä ei esiinny lainkaan. Peilipinta heijastaa kaikki aallonpituudet samaan polttopisteeseen. Useimmissa optisissa laitteissa peilistä ei kuitenkaan ole ratkaisuksi.

Nyt Harvardin yliopistossa on kehitetty linssi, joka ei ole kupera eikä kovera, vaan lätyskäinen, tasapaksu lasilevy. Hyvin ohuen "linssin" pinnalla on piistä koostuvia ulokkeita, "nanoantenneja", joiden ansiosta eri aallonpituudet eli valon eri värit keskittyvät kiltisti yhteen ja samaan polttopisteeseen.

 

Kuva: Patrice Genevet, Federico Capasso, Francesco Aieta / Harvard SEAS

Uudenlainen linssi ei vielä selviä kaikista mahdollisista aallonpituuksista eli valon koko spektristä, mutta nanotekniikkaan perustuva "akromaattinen metapinta" voidaan suunnitella siten, että esimerkiksi sininen, vihreä ja punainen osuvat yksiin.

Toistaiseksi hallittavien aallonpituuksien lukumäärä on juuri kolme, mutta Fererico Capasson johtaman tutkijaryhmän tekemien tietokonemallinnusten mukaan aallonpituuksien määrää on mahdollista kasvattaa.

Toisaalta useammista elementeistä kootut akromaattiset ja apokromaattiset linssitkään eivät tarkkaan ottaen ole värivirheettömiä kuin tietyillä aallonpituuksilla.

Ryhmä kehitti jo vuonna 2012 litteän linssin, joka taittoi vain yhtä aallonpituutta ja sitäkin heikosti, mutta nanoantennien materiaalin vaihto metallista puolijohteeksi paransi linssin taittotehoa. Yhdessä uuden rakenteen kanssa se myös lisäsi samaan polttopisteeseen keskittyvien aallonpituuksien määrää.

Yhdistämällä kaksi litteää linssiä voidaan esimerkiksi toteuttaa systeemi, jossa ensimmäinen akromaattinen metapinta taittaa ensin kolme aallonpituutta täsmälleen samaan suuntaan – eli käytännössä valikoi valosta kolme eri väriä – ja toinen metapinta keskittää ne tarkasti samaan polttopisteeseen. Näin saadaan aikaiseksi täysin värivirheetön kuva.

Litteään linssiin perustuvat optiset laitteet on mahdollista tehdä paljon pienemmiksi ja kevyemmiksi kuin perinteiset, useista linsseistä rakentuvat ratkaisut. Samalla ne "säästävät" valoa. Jos himmeästä kohteesta tuleva valo kulkee monen linssin läpi, huomattava osa siitä imeytyy linsseihin ja kohde näyttää entistä himmeämmältä. Ohuessa, litteässä linssissä hävikki on käytännössä olematon.

Uudenlaisesta linssistä kerrottiin Harvardin yliopiston tiedotteessa ja tutkimus julkaistiin Science-tiedelehdessä (maksullinen) 19. helmikuuta.