Objektyvai išradinėjami iš naujo, o fotoaparatai niekada nebebus tokie patys

Lęšiai yra beveik tokie pat seni kaip ir pati civilizacija. Senovės egiptiečiai, graikai ir babiloniečiai sukūrė lęšius iš poliruoto kvarco ir naudojo juos paprastam padidinimui. Vėliau XVII amžiaus mokslininkai sujungė lęšius, kad pagamintų teleskopus ir mikroskopus – instrumentus, kurie pakeitė mūsų požiūrį į visatą ir mūsų padėtį joje.

Dabar lęšiai iš naujo išrandami fotolitografijos procese, kai ant plokščių stiklo lakštų išpjaunami subbangos ilgiai. Šiandien Alanas She ir draugai iš Harvardo universiteto Masačusetse parodo, kaip išdėstyti šias funkcijas taip, kad šviesa būtų išsklaidyta geriau nei bet kada buvo įmanoma valdyti. Jie sako, kad gauti metalensai turi pakeisti vaizdo gavimą ir pradėti naują optinio apdorojimo erą.

Objektyvo gamyba visada buvo sudėtingas verslas. Paprastai tai daroma įpilant išlydyto stiklo arba silicio dioksido į formą ir leidžiant jam sustingti prieš šlifuojant ir poliruojant į reikiamą formą. Tai daug laiko reikalaujantis verslas, kuris labai skiriasi nuo mikroschemų šviesos jutiklių komponentų gamybos procesų.

Metalenai yra iškirpti ant silicio dioksido plokštelių tokiu būdu kaip silicio drožlių gamyba

Taigi būdas tokiu pat būdu pagaminti lęšius ant lustų būtų labai naudingas. Tai leistų lęšius gaminti tose pačiose gamyklose, kaip ir kitus mikroelektroninius komponentus, net ir tuo pačiu metu.

Ji ir bendradarbiai parodo, kaip šis procesas dabar įmanomas. Pagrindinė idėja yra ta, kad mažytės ypatybės, mažesnės už šviesos bangos ilgį, gali juo manipuliuoti. Pavyzdžiui, baltą šviesą galima suskaidyti į sudedamąsias spalvas, atspindint ją nuo paviršiaus, kuriame yra išraižytas lygiagrečių griovių rinkinys, kurio skalė yra tokia pati kaip šviesos bangos ilgis.

Metalenses gali sukurti aukštos kokybės vaizdus

Fizikai šimtmečius žaidė su vadinamosiomis difrakcinėmis gardelėmis. Tačiau fotolitografija leidžia įgyvendinti idėją kur kas toliau, sukuriant platesnį funkcijų spektrą ir keičiant jų formą bei orientaciją.

Nuo septintojo dešimtmečio fotolitografija sukuria vis mažesnes silicio lustų savybes. 1970 m. ši technika galėjo iškirpti maždaug 10 mikrometrų mastelio formas silicyje. Iki 1985 m. elementų dydis sumažėjo iki vieno mikrometro, o iki 1998 m. – iki 250 nanometrų. Šiandien lustų pramonė gamina maždaug 10 nanometrų dydžio savybes.

Matomos šviesos bangos ilgis yra nuo 400 iki 700 nanometrų, todėl lustų pramonė jau kurį laiką galėjo sukurti tokio dydžio ypatybes. Tačiau tik neseniai mokslininkai pradėjo tyrinėti, kaip šias savybes galima išdėstyti ant plokščių silicio dioksido lakštų, kad būtų sukurti šviesą išlenkiantys metalai.

Procesas prasideda nuo silicio dioksido plokštelės, ant kurios nusodinamas plonas silicio sluoksnis, padengtas fotorezisto raštu. Tada žemiau esantis silicis nupjaunamas naudojant ultravioletinę šviesą. Nuplovus likusį fotorezistą, neeksponuotas silicis lieka norimos formos.

Ji ir bendradarbiai naudoja šį procesą, kad sukurtų periodišką silicio stulpų masyvą ant stiklo, kuris išsklaido matomą šviesą, kai ji praeina. Atidžiai kontroliuodama atstumą tarp stulpų, komanda gali sutelkti šviesą.

Konkretūs atstumai tarp stulpelių nustato tikslias šio objektyvo optines savybes. Pavyzdžiui, mokslininkai gali kontroliuoti chromatinę aberaciją, kad nustatytų, kur sutelkiama skirtingų spalvų šviesa.

Vaizdo lęšiuose chromatinė aberacija turi būti sumažinta – priešingu atveju aplink objektus, žiūrint per pigius žaislinius teleskopus, susidaro spalvoti krašteliai. Tačiau spektrografuose skirtingose ​​vietose turi būti sufokusuotos skirtingos spalvos. Ji ir bendradarbiai gali padaryti bet ką.

Šie lęšiai taip pat neturi sferinės aberacijos, kuri yra įprasta įprastinių lęšių problema, kurią sukelia jų trimatė sferinė forma. Metalenai neturi šios problemos, nes jie yra plokšti. Iš tiesų, jie yra panašūs į teorinius idealius lęšius, kuriuos bakalauro laipsnio fizikai studijuoja optikos kursuose.

Žinoma, fizikai sugebėjo pagaminti plokščius lęšius, tokius kaip Fresnelio lęšiai, dešimtmečius. Tačiau juos pagaminti visada buvo sunku.

Esminis pažanga čia yra ta, kad metalenses, nes jie gali būti gaminami taip pat, kaip ir mikroschemos, gali būti masiškai gaminami su subbangos ilgio paviršiaus savybėmis. Ji ir bendradarbiai gamina dešimtis jų vienoje silicio plokštelėje. Kiekvienas iš šių lęšių yra mažesnio nei mikrometro storio, jų skersmuo – 20 milimetrų, o židinio nuotolis – 50 milimetrų.

Mes įsivaizduojame gamybos perėjimą nuo mechaninės arba formuotos optikos naudojimo prie litografiškai raštuotos optikos, kur jie gali būti masiškai gaminami panašiu mastu ir tikslumu, kaip ir IC lustai, sako She ir kt.

Ir jie tai gali padaryti naudodami daugiau nei dešimtmetį senumo lustų gamybos technologiją. Tai suteiks seniems nuostabiems augalams naują gyvenimą. Naujausia įranga yra naudinga, bet nebūtinai reikalinga, sako Ji ir kt.

Metalensai turi platų pritaikymo spektrą. Akivaizdžiausias yra vaizdavimas. Dėl plokščių lęšių vaizdo gavimo sistemos bus plonesnės ir paprastesnės. Tačiau svarbiausia yra tai, kad metalenai gali būti pagaminti tuo pačiu būdu kaip ir elektroniniai šviesos jutimo komponentai, todėl jie bus pigesni.

Taigi fotoaparatai, skirti išmaniesiems telefonams, nešiojamiesiems kompiuteriams ir papildytosios realybės vaizdo sistemoms, staiga taps mažesni ir pigesni. Jie netgi gali būti atspausdinti ant optinių skaidulų galo, kad veiktų kaip endoskopai.

Astronomai taip pat galėtų smagiai praleisti laiką. Šie lęšiai yra žymiai lengvesni ir plonesni nei begemotai, kuriuos jie iškėlė į orbitą tokiose observatorijose kaip Hablo kosminis teleskopas. Naujos kartos kosminė astronomija ir Žemės stebėjimas vilioja.

Tačiau ši technologija gali turėti didžiausią poveikį pačiuose lustuose. Ši technika leidžia sukurti sudėtingas optines stendo sistemas į optinio apdorojimo lustus.

Ir ruošiamasi tolesniems pasiekimams. Viena iš galimybių yra pakeisti metalenų savybes realiu laiku naudojant elektrinius laukus. Tai padidina lęšių, kurie keičia židinio nuotolį priklausomai nuo įtampos, perspektyvą arba, dar svarbiau, perjungia šviesą.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1711.07158 : Didelio ploto metalai: projektavimas, apibūdinimas ir masinė gamyba

paslėpti