據麥姆斯咨詢報道，美國賓夕法尼亞州立大學（Pennsylvania State University）的研究人員開發了一種超薄、緊湊的超構透鏡（metalens）望遠鏡，相關研究成果已經發表于Nano Letters期刊。

對天文學家而言，望遠鏡越大，成像能力就越強。賓夕法尼亞州立大學的科研團隊開發了一種針對望遠鏡應用的超構透鏡，在確保望遠鏡強大性能的同時，精簡了傳統望遠鏡體積較大的透鏡部件，打造了第一臺超薄、緊湊的超構透鏡望遠鏡，能夠對月球等遙遠物體進行成像。

超構透鏡包含微小的天線狀表面圖案，可以像傳統曲面玻璃透鏡一樣聚焦光線，以放大遠處的物體，但它們具有平面型優勢。盡管之前已經開發出了毫米寬的小型超構透鏡，但針對望遠鏡等大型光學系統，研究人員將透鏡的尺寸擴大到了直徑80毫米。

賓夕法尼亞州立大學電子工程和計算機科學副教授、通訊作者Xingjie Ni表示：“傳統相機或望遠鏡鏡頭的曲面厚度不同，中間凸起，邊緣較薄，這導致鏡頭尺寸較大且笨重。超構透鏡采用納米結構而不是曲率來改變光的傳播路徑，這使得它們可以扁平化。”

Ni繼續解釋稱，現代智能手機攝像頭從機身突出的原因之一，便是鏡頭的厚度需要占用空間。盡管它們外觀看起來是平面的，但這是因為它們將曲面透鏡隱藏在了玻璃窗口后面。

超構透鏡通常使用電子束光刻技術在透明基板上制造，以形成類似天線的圖案。然而，電子束的掃描過程限制了透鏡的尺寸，因為每個點的掃描都需要時間，吞吐量低。

為了制造更大的超構透鏡，賓夕法尼亞州立大學的研究人員采用了一種通常用于制造計算機芯片的深紫外（DUV）光刻制造方法。

高通量且高良率

“DUV光刻是一種高通量且高良率的工藝，可以在幾秒鐘內構建大量的計算機芯片。”Ni說，“我們發現這是一種很好的超構透鏡制造方法，可以構建更大的圖案尺寸，同時仍保持微小細節，從而確保超構透鏡的有效工作。”

研究人員用他們自己的新工藝調整了制造方法，即旋轉晶圓和拼接（stitching）。他們將制作超構透鏡的晶圓分成四個象限，再分成22 mm x 22 mm的區域。然后，他們利用紐約康奈爾大學的DUV***，通過投影透鏡將圖案投影到一個象限上，再通過旋轉并重復，直到所有四個象限都被圖案化。

使用大口徑超構透鏡望遠鏡拍攝的月球表面圖像

用大口徑超構透鏡拍攝的燭火

“由于超構透鏡的旋轉對稱性，包含每個象限圖案數據的掩模可以重復使用，因此該工藝的成本效益很高。”Ni介紹說，“這降低了該方法的制造和環境成本。”

隨著超構透鏡尺寸的增大，處理圖案所需要的數字文件變得很大，DUV***需要很長的時間才能處理。為了解決這個問題，研究人員使用數據近似并通過引用非唯一數據來對文件進行壓縮。

通過新的制造方法，研究人員開發了一臺單超構透鏡望遠鏡，并拍攝了月球表面的清晰圖像，相比過去的超構透鏡望遠鏡實現了更高的分辨率和更遠的成像距離。不過，在將這項技術應用于現代相機之前，研究人員還需要進一步解決色差問題。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03561

審核編輯 ：李倩