80毫米大口徑超構(gòu)透鏡望遠(yuǎn)鏡，首次成功拍攝月球表面

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)（Pennsylvania State University）的研究人員開發(fā)了一種超薄、緊湊的超構(gòu)透鏡（metalens）望遠(yuǎn)鏡，相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表于Nano Letters期刊。

對(duì)天文學(xué)家而言，望遠(yuǎn)鏡越大，成像能力就越強(qiáng)。賓夕法尼亞州立大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種針對(duì)望遠(yuǎn)鏡應(yīng)用的超構(gòu)透鏡，在確保望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)大性能的同時(shí)，精簡了傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡體積較大的透鏡部件，打造了第一臺(tái)超薄、緊湊的超構(gòu)透鏡望遠(yuǎn)鏡，能夠?qū)υ虑虻冗b遠(yuǎn)物體進(jìn)行成像。

超構(gòu)透鏡包含微小的天線狀表面圖案，可以像傳統(tǒng)曲面玻璃透鏡一樣聚焦光線，以放大遠(yuǎn)處的物體，但它們具有平面型優(yōu)勢。盡管之前已經(jīng)開發(fā)出了毫米寬的小型超構(gòu)透鏡，但針對(duì)望遠(yuǎn)鏡等大型光學(xué)系統(tǒng)，研究人員將透鏡的尺寸擴(kuò)大到了直徑80毫米。

賓夕法尼亞州立大學(xué)電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授、通訊作者Xingjie Ni表示：“傳統(tǒng)相機(jī)或望遠(yuǎn)鏡鏡頭的曲面厚度不同，中間凸起，邊緣較薄，這導(dǎo)致鏡頭尺寸較大且笨重。超構(gòu)透鏡采用納米結(jié)構(gòu)而不是曲率來改變光的傳播路徑，這使得它們可以扁平化?！?/p>

Ni繼續(xù)解釋稱，現(xiàn)代智能手機(jī)攝像頭從機(jī)身突出的原因之一，便是鏡頭的厚度需要占用空間。盡管它們外觀看起來是平面的，但這是因?yàn)樗鼈儗⑶嫱哥R隱藏在了玻璃窗口后面。

超構(gòu)透鏡通常使用電子束光刻技術(shù)在透明基板上制造，以形成類似天線的圖案。然而，電子束的掃描過程限制了透鏡的尺寸，因?yàn)槊總€(gè)點(diǎn)的掃描都需要時(shí)間，吞吐量低。

為了制造更大的超構(gòu)透鏡，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員采用了一種通常用于制造計(jì)算機(jī)芯片的深紫外（DUV）光刻制造方法。

高通量且高良率

“DUV光刻是一種高通量且高良率的工藝，可以在幾秒鐘內(nèi)構(gòu)建大量的計(jì)算機(jī)芯片?！盢i說，“我們發(fā)現(xiàn)這是一種很好的超構(gòu)透鏡制造方法，可以構(gòu)建更大的圖案尺寸，同時(shí)仍保持微小細(xì)節(jié)，從而確保超構(gòu)透鏡的有效工作?！?/p>

研究人員用他們自己的新工藝調(diào)整了制造方法，即旋轉(zhuǎn)晶圓和拼接（stitching）。他們將制作超構(gòu)透鏡的晶圓分成四個(gè)象限，再分成22 mm x 22 mm的區(qū)域。然后，他們利用紐約康奈爾大學(xué)的DUV***，通過投影透鏡將圖案投影到一個(gè)象限上，再通過旋轉(zhuǎn)并重復(fù)，直到所有四個(gè)象限都被圖案化。

使用大口徑超構(gòu)透鏡望遠(yuǎn)鏡拍攝的月球表面圖像

用大口徑超構(gòu)透鏡拍攝的燭火

“由于超構(gòu)透鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，包含每個(gè)象限圖案數(shù)據(jù)的掩?？梢灾貜?fù)使用，因此該工藝的成本效益很高?！盢i介紹說，“這降低了該方法的制造和環(huán)境成本?！?/p>

隨著超構(gòu)透鏡尺寸的增大，處理圖案所需要的數(shù)字文件變得很大，DUV***需要很長的時(shí)間才能處理。為了解決這個(gè)問題，研究人員使用數(shù)據(jù)近似并通過引用非唯一數(shù)據(jù)來對(duì)文件進(jìn)行壓縮。

通過新的制造方法，研究人員開發(fā)了一臺(tái)單超構(gòu)透鏡望遠(yuǎn)鏡，并拍攝了月球表面的清晰圖像，相比過去的超構(gòu)透鏡望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了更高的分辨率和更遠(yuǎn)的成像距離。不過，在將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代相機(jī)之前，研究人員還需要進(jìn)一步解決色差問題。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03561

審核編輯 ：李倩