哈佛新發明:可批量生產的超薄大型望遠透鏡

【2024年01月22日訊】(大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導)隨著太空科技的發展,人們不僅開發出更先進的火箭和衛星,也在開發解析度更高和更強的太空望遠鏡。美國哈佛大學新開發一種可量產的大型「玻璃超透鏡」,它不僅輕薄,還能拍攝清晰的太陽、月亮和宇宙中遙遠的星雲

這種新型的「玻璃超透鏡(Metalens)」是目前第一個在可見波長(可見光)範圍內作用的全玻璃大型超透鏡,且可用在互補式金氧半導體(CMOS)上直接進行成像。CMOS經常用來製作相機和一些手機感光元件,將光(光子)換成電子訊號(電子)傳輸到相機和手機之中。

由於天文望遠鏡多數受光學機械安裝限制,折射物鏡直徑越大,其體積和重量也越大,因此大孔徑光學元件通常必須是反射型而不是透射型。另外,這種大物鏡孔徑對於收集微弱或快速變化訊號的光學系統來說十分重要。

這次,哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院(Harvard SEAS)研究人員費德里科·卡帕索(Federico Capasso)教授和他的同事克服了深紫外線(DUV)光刻的曝光面積限制,開發出一種新型的大直徑玻璃超透鏡,它不僅重量輕,且清晰度不輸傳統的玻璃超透鏡。

卡帕索博士團隊在2019年就曾用深紫外線(DUV)投影光刻技術(常用於生產芯片上),開發出一種厘米級超透鏡。這項技術可以形成納米結構圖案,也能直接蝕刻到玻璃晶圓上,這大大減少了機器寫入和繪製過程,因為以前的超透鏡需經過很長的化學沉積和打磨拋光過程。

為了符合DUV光刻工具的曝光尺寸限制(22×22毫米),實驗人員經過多次的改良。他們先將直徑100毫米的透鏡區域劃分為5×5正方形陣列(共25個正方形),而每個方形大小20×20毫米,以方便後面拼接蝕刻的進行。

之後,他們在石英芯片上塗上一層150納米(nm)厚的鋁薄膜、一層氟化鎂(MgF2)抗反射塗層(ARC)和正DUV光致抗蝕劑層,方便DUV的光刻光束對石英芯片進行蝕刻。經過幾分鐘後完成基本光刻,最後用酸洗掉剩餘不要的鋁薄膜。

這個直徑10公分大小的玻璃超透鏡,整個鏡面上布滿187億個完整的垂直熔融石英(SiO2)柱,而這些石英柱高度1.5 微米(μm),大小250至600nm,圓柱之間的間距為250 nm。

他們選用垂直熔融石英蝕刻工藝去製作玻璃超透鏡,原因是熔融石英的鑄造條件較低,且具有較高的耐受性質,對設計的上限並不那麼嚴格。此外,耐熱性使得各種塗層(例如,抗反射或防污塗層)能夠直接沉積到超透鏡或其背面上,這是將此類超透鏡用於多種天文應用的基本要求。

這種用DUV做出來的直徑10公分長玻璃超透鏡,要比同樣直徑是10公分的普通璃超透鏡輕薄上許多,且可以直接運用在CMOS上。

原因是新的玻璃超透鏡厚度0.5毫米、重量14.6克,且擁有150毫米長的焦距,適用於632.8 nm波長的可見光,還有0.32的數值孔徑(NA)或1.5f值(光圈值大小),而普通的超透鏡雖然一樣有150毫米長的焦距,但厚度21毫米,重量242.2公克,適用於587.6nm波長的可見光。

另外,實驗人員將DUV做出來玻璃超透鏡安裝在CMOS成像感測器上,同時再安裝一個可更換彩色濾鏡的機器(中間沒有其他透鏡)和一個定位赤道用的引導鏡,做成一台可觀察天體的望遠鏡。

他們用它來捕捉太陽上的黑子影像、北美星雲(位於天鵝座中約2,590光年的暗淡星雲)和月球的影像。這台儀器拍攝出的效果,與美國太空總署(NASA)當天拍攝太陽黑子簇影像相同,且其它拍攝的影像效果也十分清晰。

實驗團隊為了評估鏡頭是否能夠承受太空中的惡劣環境,對它進行一系列的壓力測試。發現該鏡頭在極熱(400°C以內)、極冷(零下195.8°C),以及模擬太空發射期間發生的強烈振動測試中,均沒有出現明顯的物理、光學性能損壞。

報告中還提到,這種超透鏡的直徑可以進一步增加到290毫米左右,因為300毫米直徑晶圓和相應的CMOS的應用越來越廣泛。他們還表示,這種大面積光學元件,可以有效分散能量密度,降低元件結構損壞或過熱的風險。

卡帕索教授對該校的新聞室表示,「我們利用最先進的半導體鑄造工藝,在大平面透鏡上精確控制數百億納米柱的尺寸,這是前所未有的一項製造壯舉,同時給太空的科學和技術帶來新希望。」

參與這次實驗的美國加州史丹佛林順偉(Soon Wei Daniel Lim)則表示:「隨著相應的CMOS代工工具在業界的應用越來越廣泛,使用相同的DUV投影微影技術,可以在更大的玻璃直徑晶圓上生產大直徑、像差校正元光學器件,甚至更大的透鏡。」

這項實驗得到了美國國防高級研究計劃局(DARPA)的資助、美國空軍科學研究辦公室的資助,其研究成果於1月17日發表在《美國化學會》期刊上,同時被十多家媒體轉載報導。

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