宾夕法尼亚州立大学电子工程副教授倪兴杰(中)正在操作一个传统的望远镜镜头。在前景中，电子工程研究生张莉丹拿着比这小得多、更平、更紧凑的metalens样机。Credit: Jeff Xu/Penn State
据美国物理学家组织网（by Mariah R. Lucas, Pennsylvania State University）：天文学家和业余爱好者都知道，望远镜越大，成像能力越强。为了保持动力，同时简化其中一个笨重的组件，宾夕法尼亚州立大学领导的研究小组制造了第一台超薄、紧凑的metalens望远镜，能够对遥远的物体成像，包括月球。
金属透镜由微小的天线状表面图案组成，可以聚焦光线以放大远处的物体，与传统的曲面玻璃透镜相同，但它们的优势是平坦。尽管过去已经开发出了毫米宽的小型金属透镜，但研究人员将透镜的直径扩大到了8厘米，或大约4英寸宽，使其有可能用于大型光学系统，如望远镜。他们在《纳米快报》上发表了他们的方法。
“传统的相机或望远镜镜头有一个不同厚度的曲面，在中间和较薄的边缘有一个凸起，这导致镜头笨重，”通讯作者宾夕法尼亚州立大学电气工程和计算机科学副教授倪兴杰说。“金属透镜在透镜上使用纳米结构，而不是曲率来塑造光线，这使它们能够平放。”
倪说，这是现代手机摄像头镜头从手机机身伸出的原因之一:镜头的厚度占用空间，尽管它们看起来很平，因为它们隐藏在玻璃窗后面。
金属透镜通常使用电子束光刻技术制造，这涉及到将聚焦的电子束扫描到一块玻璃或其他透明基板上，以逐点创建类似天线的图案。然而，电子束的扫描过程限制了可以制造的透镜的尺寸，因为扫描每个点是耗时的并且产量低。
为了制造更大的透镜，研究人员采用了一种被称为深紫外(DUV)光刻的制造方法，这种方法通常用于生产计算机芯片。
“DUV光刻法是一种高通量和高产量的工艺，可以在几秒钟内生产出许多计算机芯片，”倪说。“我们发现这是一种制造金属透镜的好方法，因为它允许更大的图案尺寸，同时仍然保持小细节，这使得透镜能够有效地工作。”
研究人员用他们自己的新程序修改了这种方法，称为旋转晶片和缝合。研究人员将制造金属透镜的晶片分成四个象限，再进一步分成22乘22毫米的区域——比标准邮票还小。他们使用康奈尔大学的DUV光刻机，通过投影透镜将图案投影到一个象限，然后旋转90度再次投影。他们重复旋转，直到所有四个象限都形成图案。
“这一过程具有成本效益，因为由于金属透镜的旋转对称性，包含每个象限的图案数据的掩模可以重复使用，”倪说。"这降低了该方法的制造和环境成本."
随着金属透镜尺寸的增加，处理图案所需的数字文件变得非常大，这将需要DUV光刻机花费很长时间来处理。为了克服这个问题，研究人员使用数据近似值并通过引用非唯一数据来压缩文件。
“我们利用一切可能的方法来减少文件的大小，”倪说。“我们确定了相同的数据点并引用了现有的数据点，逐渐减少数据，直到我们有可用的文件发送到计算机来创建metalens。”
使用这种新的制造方法，研究人员开发了一种单镜头望远镜，并捕捉到了月球表面的清晰图像——实现了比以前的金属透镜更高的物体分辨率和更远的成像距离。然而，在这项技术应用于现代相机之前，研究人员必须解决色差问题，当不同颜色的光进入镜头时，会导致图像失真和模糊。
“我们正在探索可见光范围内更小、更复杂的设计，并将补偿各种光学像差，包括色差，”倪说。
