Objektīvi tiek izgudroti no jauna, un kameras nekad vairs nebūs tādas pašas

Objektīvi ir gandrīz tikpat veci kā pati civilizācija. Senie ēģiptieši, grieķi un babilonieši izstrādāja lēcas, kas izgatavotas no pulēta kvarca, un izmantoja tās vienkāršai palielināšanai. Vēlāk 17. gadsimta zinātnieki apvienoja lēcas, lai izveidotu teleskopus un mikroskopus — instrumentus, kas mainīja mūsu skatījumu uz Visumu un mūsu stāvokli tajā.

Tagad lēcas tiek izgudrotas no jauna, izmantojot fotolitogrāfijas procesu, kas uz plakanām stikla loksnēm izgriež subviļņa garuma pazīmes. Šodien Alan She un draugi Hārvardas Universitātē Masačūsetsā parāda, kā šīs funkcijas sakārtot tā, lai izkliedētu gaismu ar lielāku kontroli, nekā jebkad bijis iespējams. Viņi saka, ka iegūtie metalensi ir paredzēti, lai mainītu attēlveidošanu un uzsāktu jaunu optiskās apstrādes laikmetu.

Objektīvu izgatavošana vienmēr ir bijusi grūts bizness. To parasti veic, ielejot veidnē izkausētu stiklu vai silīcija dioksīdu un ļaujot tai sastingt pirms slīpēšanas un pulēšanas vajadzīgajā formā. Tas ir laikietilpīgs bizness, kas būtiski atšķiras no mikroshēmu gaismas sensoru komponentu ražošanas procesiem.

Metalenses tiek izgrebtas uz silīcija dioksīda plāksnēm tādā procesā kā silīcija šķembu ražošanai

Tātad veids, kā tādā pašā veidā izgatavot lēcas uz mikroshēmām, būtu ļoti noderīgs. Tas ļautu izgatavot lēcas tajās pašās rūpnīcās, kurās tiek ražoti citi mikroelektroniskie komponenti, pat tajā pašā laikā.

Viņa un kolēģi parāda, kā šis process tagad ir iespējams. Galvenā ideja ir tāda, ka sīki elementi, kas ir mazāki par gaismas viļņa garumu, var ar to manipulēt. Piemēram, balto gaismu var sadalīt tās sastāvdaļu krāsās, atstarojot to no virsmas, kurā ir iegremdēts paralēlu tranšeju kopums, kuru mērogs ir vienāds ar gaismas viļņa garumu.

Metalenses var radīt augstas kvalitātes attēlus

Fiziķi gadsimtiem ilgi ir spēlējušies ar tā sauktajiem difrakcijas režģiem. Taču fotolitogrāfija ļauj ideju virzīt daudz tālāk, radot plašāku pazīmju klāstu un mainot to formu un orientāciju.

Kopš 1960. gadiem fotolitogrāfija ir radījusi arvien mazākus silīcija mikroshēmu elementus. 1970. gadā ar šo paņēmienu silīcijā varēja izgriezt formas aptuveni 10 mikrometru mērogā. Līdz 1985. gadam elementu izmērs bija samazinājies līdz vienam mikrometram, bet 1998. gadā līdz 250 nanometriem. Mūsdienās mikroshēmu rūpniecība ražo aptuveni 10 nanometrus lielas funkcijas.

Redzamās gaismas viļņa garums ir no 400 līdz 700 nanometriem, tāpēc mikroshēmu industrija jau kādu laiku ir spējusi izgatavot šāda izmēra funkcijas. Bet tikai nesen pētnieki ir sākuši pētīt, kā šīs īpašības var sakārtot uz plakanām silīcija dioksīda loksnēm, lai izveidotu metālus, kas saliek gaismu.

Process sākas ar silīcija dioksīda plāksnīti, uz kuras tiek uzklāts plāns silīcija slānis, kas pārklāts ar fotorezista rakstu. Tālāk esošais silīcijs tiek izgriezts, izmantojot ultravioleto gaismu. Nomazgājot atlikušo fotorezistu, neeksponētais silīcijs paliek vēlamajā formā.

Viņa un līdzās izmanto šo procesu, lai izveidotu periodisku silīcija stabu masīvu uz stikla, kas, ejot cauri, izkliedē redzamo gaismu. Un, rūpīgi kontrolējot atstarpi starp pīlāriem, komanda var koncentrēt gaismu.

Konkrēti statņu atstatumi nosaka šī objektīva precīzās optiskās īpašības. Piemēram, pētnieki var kontrolēt hromatisko aberāciju, lai noteiktu, kur fokusējas dažādu krāsu gaisma.

Attēlveidošanas objektīvos hromatiskā aberācija ir jāsamazina — pretējā gadījumā tas rada krāsainas bārkstis ap objektiem, kurus aplūko lētos rotaļlietu teleskopos. Bet spektrogrāfos dažādās vietās ir jāfokusē dažādas krāsas. Viņa un viņa var darīt vienu vai otru.

Šīs lēcas necieš arī no sfēriskās aberācijas, kas ir izplatīta problēma parastajiem objektīviem, ko izraisa to trīsdimensiju sfēriskā forma. Metalensiem šīs problēmas nav, jo tie ir plakani. Patiešām, tās ir līdzīgas teorētiskajām ideālajām lēcām, kuras fiziķi bakalaura grāda iegūšanai apgūst optikas kursos.

Protams, fiziķi jau vairākus gadu desmitus ir spējuši izgatavot plakanas lēcas, piemēram, Fresnel lēcas. Bet tos vienmēr ir bijis grūti pagatavot.

Galvenais sasniegums šeit ir tāds, ka metalenses, jo tās var izgatavot tāpat kā mikroshēmas, var tikt ražotas masveidā ar zemviļņa garuma virsmas īpašībām. Viņa un citi to izgatavo desmitiem uz vienas silīcija oksīda vafeles. Katra no šīm lēcām ir mazāka par mikrometru bieza, to diametrs ir 20 milimetri un fokusa attālums ir 50 milimetri.

Mēs paredzam ražošanas pāreju no mehāniski apstrādātas vai formētas optikas izmantošanas uz litogrāfiski veidotu optiku, kur tās var ražot masveidā ar līdzīgu mērogu un precizitāti kā IC mikroshēmas, saka She un co.

Un viņi to var izdarīt, izmantojot mikroshēmu ražošanas tehnoloģiju, kas ir vairāk nekā desmit gadus veca. Tas vecajiem, brīnišķīgajiem augiem piešķirs jaunu elpu. Mūsdienīgs aprīkojums ir noderīgs, bet ne obligāti nepieciešams, saka Viņa un co.

Metalensiem ir plašs pielietojuma klāsts. Visredzamākā ir attēlveidošana. Plakanie lēcas padarīs attēlveidošanas sistēmas plānākas un vienkāršākas. Bet vissvarīgākais ir tas, ka metalensus var izgatavot tādā pašā procesā kā elektroniskos komponentus gaismas uztveršanai, tie būs lētāki.

Tāpēc viedtālruņiem, klēpjdatoriem un paplašinātās realitātes attēlveidošanas sistēmām paredzētās kameras pēkšņi kļūs mazākas un lētākas. Tos pat varētu uzdrukāt uz optisko šķiedru gala, lai tie darbotos kā endoskopi.

Arī astronomi varētu izklaidēties. Šie objektīvi ir ievērojami vieglāki un plānāki nekā behemoti, kurus tie ir laiduši orbītā tādās observatorijās kā Habla kosmiskais teleskops. Jaunas paaudzes kosmosa astronomija un Zemes novērošana aicina.

Bet tieši mikroshēmās šai tehnoloģijai varētu būt vislielākā ietekme. Šī tehnika ļauj izveidot sarežģītas optiskās stenda sistēmas mikroshēmās optiskai apstrādei.

Un ir arī turpmāki sasniegumi. Viena iespēja ir mainīt metalēnu īpašības reāllaikā, izmantojot elektriskos laukus. Tas palielina iespēju, ka objektīvi maina fokusa attālumu atkarībā no sprieguma vai, vēl svarīgāk, pārslēdz gaismu.

Atsauce: arxiv.org/abs/1711.07158 : Lielas platības metāli: dizains, raksturojums un masveida ražošana

paslēpties