Lenzen worden opnieuw uitgevonden en camera's zullen nooit meer hetzelfde zijn

Lenzen zijn bijna zo oud als de beschaving zelf. De oude Egyptenaren, Grieken en Babyloniërs ontwikkelden allemaal lenzen gemaakt van gepolijst kwarts en gebruikten ze voor eenvoudige vergroting. Later combineerden 17e-eeuwse wetenschappers lenzen om telescopen en microscopen te maken, instrumenten die onze kijk op het universum en onze positie daarin veranderden.

Nu worden lenzen opnieuw uitgevonden door het proces van fotolithografie, dat subgolflengtekenmerken op vlakke glasplaten kerft. Tegenwoordig laten Alan She en vrienden van de Harvard University in Massachusetts zien hoe deze functies kunnen worden gerangschikt op manieren die licht verstrooien met meer controle dan ooit mogelijk is geweest. Ze zeggen dat de resulterende metalenses een revolutie teweeg zullen brengen in de beeldvorming en een nieuw tijdperk van optische verwerking zullen inluiden.

Het maken van lenzen is altijd een lastige zaak geweest. Het wordt over het algemeen gedaan door gesmolten glas of siliciumdioxide in een mal te gieten en het te laten uitharden voordat het wordt gemalen en in de gewenste vorm wordt gepolijst. Dit is een tijdrovende bezigheid die aanzienlijk verschilt van de productieprocessen voor lichtgevoelige componenten op microchips.

Metalenses worden op wafels van siliciumdioxide gesneden in een proces zoals dat wordt gebruikt om siliciumchips te maken

Dus een manier om op dezelfde manier lenzen op chips te maken, zou enorm nuttig zijn. Het zou het mogelijk maken lenzen in dezelfde fabrieken te fabriceren als andere micro-elektronische componenten, zelfs op hetzelfde moment.

Zij en co laten zien hoe dit proces nu mogelijk is. Het belangrijkste idee is dat kleine functies, kleiner dan de golflengte van licht, het kunnen manipuleren. Wit licht kan bijvoorbeeld worden opgesplitst in zijn samenstellende kleuren door het te weerkaatsen op een oppervlak waarin een reeks evenwijdige greppels is uitgehouwen die dezelfde schaal hebben als de golflengte van licht.

Metalenses kan afbeeldingen van hoge kwaliteit produceren

Natuurkundigen spelen al eeuwen met zogenaamde diffractieroosters. Maar fotolithografie maakt het mogelijk om het idee veel verder te brengen door een breder scala aan functies te creëren en hun vorm en oriëntatie te variëren.

Sinds de jaren zestig heeft fotolithografie steeds kleinere kenmerken op siliciumchips geproduceerd. In 1970 kon deze techniek vormen in silicium kerven met een schaal van ongeveer 10 micrometer. In 1985 was de grootte van het kenmerk gedaald tot één micrometer en in 1998 tot 250 nanometer. Tegenwoordig maakt de chipindustrie functies van ongeveer 10 nanometer groot.

Zichtbaar licht heeft een golflengte van 400 tot 700 nanometer, dus de chipindustrie kan al geruime tijd features van deze omvang maken. Maar pas onlangs zijn onderzoekers begonnen te onderzoeken hoe deze kenmerken op vlakke platen siliciumdioxide kunnen worden gerangschikt om metalenses te creëren die licht buigen.

Het proces begint met een siliciumdioxidewafel waarop een dunne laag silicium wordt afgezet die is bedekt met een fotoresistpatroon. Het onderliggende silicium wordt vervolgens weggesneden met behulp van ultraviolet licht. Door de resterende fotolak weg te wassen, blijft het onbelichte silicium in de gewenste vorm.

Zij en co gebruiken dit proces om een ​​periodieke reeks siliciumpilaren op glas te creëren die zichtbaar licht verstrooien terwijl het er doorheen gaat. En door de afstand tussen de pilaren zorgvuldig te beheersen, kan het team het licht centraal stellen.

Specifieke afstanden tussen de stijlen bepalen de precieze optische eigenschappen van deze lens. De onderzoekers kunnen bijvoorbeeld chromatische aberratie controleren om te bepalen waar licht van verschillende kleuren scherp wordt gesteld.

In beeldvormende lenzen moet chromatische aberratie worden geminimaliseerd - het produceert anders de gekleurde randen rond objecten die worden bekeken door goedkope speelgoedtelescopen. Maar in spectrografen moeten verschillende kleuren op verschillende plaatsen scherpgesteld worden. Zij en co kunnen beide.

Ook hebben deze lenzen geen last van sferische aberratie, een veelvoorkomend probleem bij gewone lenzen, veroorzaakt door hun driedimensionale sferische vorm. Metalensen hebben dit probleem niet omdat ze plat zijn. Ze lijken inderdaad op de theoretische ideale lenzen die niet-gegradueerde natuurkundigen bestuderen in opticacursussen.

Natuurlijk kunnen natuurkundigen al tientallen jaren platte lenzen maken, zoals Fresnel-lenzen. Maar ze zijn altijd moeilijk te maken geweest.

De belangrijkste vooruitgang hier is dat metalenses, omdat ze op dezelfde manier kunnen worden gefabriceerd als microchips, in massa kunnen worden geproduceerd met subgolflengte-oppervlakken. Zij en co maken er tientallen op een enkele silicawafel. Elk van deze lenzen is minder dan een micrometer dik, met een diameter van 20 millimeter en een brandpuntsafstand van 50 millimeter.

We voorzien een productieovergang van het gebruik van machinale of gegoten optica naar optica met lithografisch patroon, waar ze in massaproductie kunnen worden geproduceerd met dezelfde schaal en precisie als IC-chips, zeggen She en co.

En dat kunnen ze met chipfabricagetechnologie die meer dan tien jaar oud is. Dat geeft oude fabuleuze planten een nieuw leven. State-of-the-art apparatuur is handig, maar niet per se vereist, zeggen She en co.

Metalensen hebben een breed scala aan toepassingen. De meest voor de hand liggende is beeldvorming. Platte lenzen maken beeldvormingssystemen dunner en eenvoudiger. Maar cruciaal, aangezien metalenses in hetzelfde proces kunnen worden vervaardigd als de elektronische componenten voor het detecteren van licht, zullen ze goedkoper zijn.

Dus camera's voor smartphones, laptops en augmented-reality-beeldvormingssystemen worden plotseling kleiner en goedkoper om te maken. Ze kunnen zelfs op het uiteinde van optische vezels worden geprint om als endoscopen te dienen.

Astronomen kunnen ook wat plezier hebben. Deze lenzen zijn aanzienlijk lichter en dunner dan de kolossen die ze in observatoria zoals de Hubble-ruimtetelescoop in een baan om de aarde hebben gebracht. Een nieuwe generatie van op de ruimte gebaseerde astronomie en aardobservatie lonkt.

Maar het is binnen de chips zelf dat deze technologie de grootste impact zou kunnen hebben. De techniek maakt het mogelijk om complexe optische bankachtige systemen in chips voor optische verwerking te bouwen.

En er zitten nog meer vorderingen in de pijplijn. Een mogelijkheid is om de eigenschappen van metalenses in realtime te veranderen met behulp van elektrische velden. Dat verhoogt het vooruitzicht van lenzen die de brandpuntsafstand veranderen met spanning - of, belangrijker, die van licht wisselen.

Referentie: arxiv.org/abs/1711.07158 : Large Area Metalenses: Design, Characterisation, and Mass Manufacturing

zich verstoppen