تحولی در نجوم؛ لنز تختی که رنگ‌ها را دقیق ثبت می‌کند
محققان موفق به ساخت لنز تختی شده‌اند که قادر است نور را مانند لنزهای سنتی متمرکز کند، بدون این که دچار اعوجاج رنگی شود؛ این فناوری می‌تواند تاثیر قابل توجهی در حوزه علم نجوم و تلسکوپ‌ها داشته باشد؛ زیرا لنزهای تخت با دیافراگم‌های بزرگ و قابلیت ثبت تصاویر تمام‌رنگی می‌توانند کیفیت تصاویر دریافتی را به طرز چشمگیری افزایش دهند؛ این پیشرفت می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا جزئیات بیشتری از اجرام آسمانی را مشاهده کنند و درک بهتری از جهان اطراف ما پیدا کنند.
برای قرن‌ها، لنزها با یک روش واحد عمل کرده‌اند: خم کردن نور از طریق شیشه یا پلاستیک منحنی برای ایجاد تصویر واضح، اما این لنزهای سنتی دارای یک مشکل اساسی هستند؛ هرچه قوی‌تر باشند، بزرگ‌تر و سنگین‌تر می‌شوند. دانشمندان مدتی طولانی به دنبال راهی برای کاهش وزن لنزها بدون افت عملکرد بوده‌اند. اگرچه برخی جایگزین‌های باریک‌تر وجود دارند، اما اغلب دارای محدودیت‌هایی هستند و فرآیند ساخت آن‌ها دشوار و پرهزینه است.
اکنون پژوهشگران دانشگاه یوتا (University of Utah)، به رهبری راجش منون (Rajesh Menon)، استاد مهندسی در کالج مهندسی پرایس (Price College of Engineering)، 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 فناوری می‌تواند سامانه‌های تصویربرداری نجومی را متحول کند، به ویژه در کاربردهایی که فضا محدود است، ماننده تلسکوپ‌های فضایی، ماهواره‌ها و تجهیزات مستقر در هواپیماها.
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 مشکلی ایجاد نمی‌کند، 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 معمولا از آینه‌های بزرگ و منحنی استفاده می‌کنند، زیرا در مقایسه با لنزها، نازک‌تر و سبک‌تر هستند و قادرند 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 (Fresnel Zone Plates) 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.
لنز تخت طراحی‌شده توسط منون و تیمش، همان قدرت تمرکز نور لنزهای سنتی را دارد، اما بدون مشکلات اعوجاج رنگی که در صفحات فرنل مشاهده می‌شود. راجش منون در خصوص این فناوری بیان می‌کند: «محاسبات ما نشان می‌دهد 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 (Utah Nanofabrication Laboratory)، امکانات لازم برای ساخت این لنزها را فراهم کردیم.»
کلید موفقیت این لنز در حلقه‌های متحدالمرکز میکروسکوپی 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 تولید کنند.
آپراتیم ماجومدر درباره پیچیدگی این طراحی می‌گوید: «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 تاثیر 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 کرده است. 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.»