Obiektywy są wymyślane na nowo, a aparaty nigdy nie będą takie same

Soczewki są prawie tak stare jak sama cywilizacja. Starożytni Egipcjanie, Grecy i Babilończycy opracowali soczewki wykonane z polerowanego kwarcu i używali ich do prostego powiększenia. Później XVII-wieczni naukowcy połączyli soczewki, aby stworzyć teleskopy i mikroskopy, instrumenty, które zmieniły nasz pogląd na wszechświat i naszą pozycję w nim.

Teraz obiektywy są odkrywane na nowo w procesie fotolitografii, w którym na płaskich taflach szkła wycinane są cechy subfalowe. Dziś Alan She i koledzy z Uniwersytetu Harvarda w Massachusetts pokazują, jak rozmieścić te elementy w sposób, który rozprasza światło z większą kontrolą, niż kiedykolwiek było to możliwe. Twierdzą, że powstałe w ten sposób metalensy zrewolucjonizują obrazowanie i zapoczątkują nową erę przetwarzania optycznego.

Produkcja soczewek zawsze była trudną sprawą. Zwykle odbywa się to poprzez wlanie stopionego szkła lub dwutlenku krzemu do formy i pozostawienie jej do stwardnienia przed szlifowaniem i polerowaniem do wymaganego kształtu. Jest to czasochłonna działalność, która znacznie różni się od procesów produkcyjnych komponentów wykrywających światło w mikrochipach.

Metalenses są wyryte na waflach dwutlenku krzemu w procesie podobnym do tego, który stosuje się do produkcji chipów krzemowych

Tak więc sposób wykonania soczewek na chipach w ten sam sposób byłby niezwykle przydatny. Pozwoliłoby to na wytwarzanie soczewek w tych samych zakładach, co inne komponenty mikroelektroniczne, nawet w tym samym czasie.

Ona i współpracownicy pokazują, jak ten proces jest teraz możliwy. Kluczową ideą jest to, że małe elementy, mniejsze niż długość fali światła, mogą nim manipulować. Na przykład białe światło można rozbić na kolory składowe, odbijając je od powierzchni, na której wyrzeźbiono zestaw równoległych rowków o tej samej skali co długość fali światła.

Metalenses może wytwarzać obrazy wysokiej jakości

Fizycy od wieków bawią się tak zwanymi siatkami dyfrakcyjnymi. Ale fotolitografia pozwala posunąć ideę znacznie dalej, tworząc szerszy zakres cech oraz zmieniając ich kształt i orientację.

Od lat sześćdziesiątych fotolitografia wytwarzała coraz mniejsze cechy chipów krzemowych. W 1970 roku technika ta umożliwiła rzeźbienie w krzemie kształtów o skali około 10 mikrometrów. Do 1985 r. wielkość cech spadła do jednego mikrometra, a do 1998 r. do 250 nanometrów. Obecnie przemysł chipów wytwarza elementy o wielkości około 10 nanometrów.

Światło widzialne ma długość fali od 400 do 700 nanometrów, więc przemysł chipów już od jakiegoś czasu jest w stanie tworzyć cechy tej wielkości. Ale dopiero niedawno naukowcy zaczęli badać, w jaki sposób te cechy można rozmieścić na płaskich arkuszach dwutlenku krzemu, aby stworzyć metalosensy, które zaginają światło.

Proces rozpoczyna się od wafla z dwutlenku krzemu, na który nakładana jest cienka warstwa krzemu pokryta wzorem fotorezystu. Krzem znajdujący się poniżej jest następnie wycinany za pomocą światła ultrafioletowego. Zmycie resztek fotorezystu pozostawia nienaświetlony silikon w pożądanym kształcie.

Razem z nią wykorzystuje ten proces do tworzenia okresowego układu krzemowych słupków na szkle, które rozpraszają światło widzialne podczas przechodzenia. A dzięki starannej kontroli odstępów między filarami zespół może skupić światło.

Konkretne rozstawy słupków decydują o dokładnych właściwościach optycznych tej soczewki. Na przykład naukowcy mogą kontrolować aberrację chromatyczną, aby określić, gdzie skupia się światło o różnych kolorach.

W obiektywach obrazowych aberracja chromatyczna musi być zminimalizowana — w przeciwnym razie tworzy kolorowe obwódki wokół obiektów oglądanych przez tanie teleskopy-zabawki. Ale w spektrografach różne kolory muszą być skupione w różnych miejscach. Ona i spółka mogą to zrobić.

Soczewki te nie mają również aberracji sferycznej, która jest częstym problemem zwykłych soczewek, spowodowanym ich trójwymiarowym sferycznym kształtem. Metalenses nie mają tego problemu, ponieważ są płaskie. Rzeczywiście, są one podobne do teoretycznych idealnych soczewek, które fizycy studiują na kursach optyki.

Oczywiście od dziesięcioleci fizycy są w stanie wytwarzać płaskie soczewki, takie jak soczewki Fresnela. Ale zawsze były trudne do wykonania.

Kluczowym postępem w tym przypadku jest to, że metalensy, ponieważ można je wytwarzać w taki sam sposób jak mikroczipy, mogą być produkowane masowo z cechami powierzchni o subdługości fali. Ona i jej współpracownicy robią ich dziesiątki na jednym waflu krzemionkowym. Każda z tych soczewek ma grubość poniżej mikrometra, średnicę 20 milimetrów i ogniskową 50 milimetrów.

Przewidujemy przejście w produkcji z optyki obrabianej maszynowo lub formowanej na optykę z wzorem litograficznym, gdzie mogą być produkowane masowo z podobną skalą i precyzją jak chipy IC, powiedzmy She and co.

I mogą to zrobić dzięki technologii wytwarzania chipów, która ma ponad dekadę. To da starym fabrykom nowe życie. Najnowocześniejszy sprzęt jest przydatny, ale niekoniecznie wymagany, mówią Ona i spółka.

Metalenses mają szerokie zastosowanie. Najbardziej oczywistym jest obrazowanie. Soczewki płaskie sprawią, że systemy obrazowania będą cieńsze i prostsze. Ale co najważniejsze, ponieważ metaleny można wytwarzać w tym samym procesie, co komponenty elektroniczne do wykrywania światła, będą one tańsze.

Tak więc kamery do smartfonów, laptopów i systemów przetwarzania obrazu w rzeczywistości rozszerzonej nagle staną się mniejsze i tańsze w produkcji. Mogą być nawet nadrukowane na końcach światłowodów, aby działały jako endoskopy.

Astronomowie też mogliby się dobrze bawić. Soczewki te są znacznie lżejsze i cieńsze niż behemoty, które wystrzeliły na orbitę w obserwatoriach, takich jak Kosmiczny Teleskop Hubble'a. Nowa generacja astronomii kosmicznej i obserwacji Ziemi kusi.

Ale to właśnie w samych chipach ta technologia może mieć największy wpływ. Technika ta umożliwia budowanie złożonych układów optycznych typu stołowego w chipy do obróbki optycznej.

W przygotowaniu są dalsze postępy. Jedną z możliwości jest zmiana właściwości metalsensów w czasie rzeczywistym za pomocą pól elektrycznych. Rodzi to perspektywę obiektywów, które zmieniają ogniskową pod wpływem napięcia lub, co ważniejsze, przełączają światło.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1711.07158 : Metalensesy wielkopowierzchniowe: projektowanie, charakterystyka i produkcja masowa

ukryć