211service.com
Linser blir gjenoppfunnet, og kameraer vil aldri bli det samme
Linser er nesten like gamle som sivilisasjonen selv. De gamle egypterne, grekerne og babylonerne utviklet alle linser laget av polert kvarts og brukte dem til enkel forstørrelse. Senere kombinerte forskere fra 1600-tallet linser for å lage teleskoper og mikroskoper, instrumenter som endret vårt syn på universet og vår posisjon i det.
Nå gjenoppfinnes linser av prosessen med fotolitografi, som skjærer subbølgelengdeelementer på flate glassplater. I dag viser Alan She og venner ved Harvard University i Massachusetts hvordan man kan ordne disse funksjonene på måter som sprer lys med større kontroll enn noen gang har vært mulig. De sier at de resulterende metalenses er satt til å revolusjonere bildebehandling og innlede en ny æra av optisk prosessering.
Linsefremstilling har alltid vært en vanskelig virksomhet. Det gjøres vanligvis ved å helle smeltet glass, eller silisiumdioksid, i en form og la den stivne før sliping og polering til den nødvendige formen. Dette er en tidkrevende virksomhet som er vesentlig forskjellig fra produksjonsprosessene for lysfølende komponenter på mikrobrikker.
Metalenses er skåret på wafere av silisiumdioksid i en prosess som den som brukes til å lage silisiumbrikker
Så en måte å lage linser på brikker på på samme måte ville være enormt nyttig. Det ville tillate linser å bli produsert i de samme fabrikkene som andre mikroelektroniske komponenter, selv samtidig.
Hun og co viser hvordan denne prosessen nå er mulig. Nøkkelideen er at bittesmå funksjoner, mindre enn lysets bølgelengde, kan manipulere det. For eksempel kan hvitt lys brytes inn i komponentfargene ved å reflektere det fra en overflate der det er skåret ut et sett med parallelle skyttergraver som har samme skala som lysets bølgelengde.
Metalenses kan produsere bilder av høy kvalitet
Fysikere har lekt med såkalte diffraksjonsgitter i århundrer. Men fotolitografi gjør det mulig å ta ideen mye lenger ved å lage et bredere spekter av funksjoner og variere deres form og orientering.
Siden 1960-tallet har fotolitografi produsert stadig mindre funksjoner på silisiumbrikker. I 1970 kunne denne teknikken skjære ut former i silisium med en skala på rundt 10 mikrometer. I 1985 hadde funksjonsstørrelsen falt til én mikrometer, og i 1998 til 250 nanometer. I dag lager brikkeindustrien funksjoner rundt 10 nanometer i størrelse.
Synlig lys har en bølgelengde på 400 til 700 nanometer, så chipindustrien har vært i stand til å lage funksjoner av denne størrelsen en stund. Men først nylig har forskere begynt å undersøke hvordan disse funksjonene kan ordnes på flate plater av silisiumdioksid for å lage metallenses som bøyer lys.
Prosessen begynner med en silisiumdioksydplate som er avsatt et tynt lag med silisium dekket i et fotoresistmønster. Silisiumet under blir deretter skåret bort ved hjelp av ultrafiolett lys. Vasking av den gjenværende fotoresisten etterlater det ueksponerte silisiumet i ønsket form.
Hun og co bruker denne prosessen til å lage en periodisk rekke silisiumsøyler på glass som sprer synlig lys når det passerer gjennom. Og ved å kontrollere avstanden mellom pilarene nøye, kan teamet bringe lyset i fokus.
Spesifikke søyleavstander bestemmer de nøyaktige optiske egenskapene til denne linsen. Forskerne kan for eksempel kontrollere kromatisk aberrasjon for å finne ut hvor lys av forskjellige farger kommer til et fokus.
I bildelinser må kromatisk aberrasjon minimeres - det produserer ellers de fargede frynsene rundt objekter sett gjennom billige leketeleskoper. Men i spektrografer må forskjellige farger bringes i fokus på forskjellige steder. Hun og co kan begge deler.
Heller ikke disse linsene lider av sfærisk aberrasjon, et vanlig problem med vanlige linser forårsaket av deres tredimensjonale sfæriske form. Metalenses har ikke dette problemet fordi de er flate. Faktisk ligner de på de teoretiske ideelle linsene som bachelor-fysikere studerer i optikkkurs.
Selvfølgelig har fysikere vært i stand til å lage flate linser, som Fresnel-linser, i flere tiår. Men de har alltid vært vanskelige å lage.
Det viktigste fremskrittet her er at metalenses, fordi de kan fremstilles på samme måte som mikrobrikker, kan masseproduseres med subbølgelengde overflateegenskaper. Hun og co lager dusinvis av dem på en enkelt silica wafer. Hver av disse linsene er mindre enn en mikrometer tykke, med en diameter på 20 millimeter og en brennvidde på 50 millimeter.
Vi ser for oss en produksjonsovergang fra å bruke maskinert eller støpt optikk til litografisk mønstret optikk, hvor de kan masseproduseres med samme skala og presisjon som IC-brikker, sier hun og co.
Og de kan gjøre dette med brikkefremstillingsteknologi som er mer enn et tiår gammel. Det vil gi gamle flotte planter et nytt liv. Toppmoderne utstyr er nyttig, men ikke nødvendigvis nødvendig, sier hun og co.
Metalenses har et bredt spekter av bruksområder. Det mest åpenbare er bildebehandling. Flate linser vil gjøre bildesystemer tynnere og enklere. Men avgjørende, siden metalenses kan fremstilles i samme prosess som de elektroniske komponentene for å registrere lys, vil de være billigere.
Så kameraer for smarttelefoner, bærbare datamaskiner og augmented-reality bildesystemer vil plutselig bli mindre og rimeligere å lage. De kan til og med skrives ut på enden av optiske fibre for å fungere som endoskoper.
Astronomer kan også ha det gøy. Disse linsene er betydelig lettere og tynnere enn gigantene de har sendt ut i bane i observatorier som Hubble-romteleskopet. En ny generasjon rombasert astronomi og jordobservasjon lokker.
Men det er innenfor selve brikkene at denne teknologien kan ha størst innvirkning. Teknikken gjør det mulig å bygge komplekse optiske benkesystemer til brikker for optisk prosessering.
Og det er ytterligere fremskritt i pipelinen. En mulighet er å endre egenskapene til metalenses i sanntid ved hjelp av elektriske felt. Det øker muligheten for linser som endrer brennvidde med spenning – eller, enda viktigere, som bytter lys.
Ref: arxiv.org/abs/1711.07158 : Metalenses med store områder: Design, karakterisering og masseproduksjon