扁平的煎餅大小的金屬透鏡在工程中首次拍攝月球表面

來源：桑間濮上網(wǎng) 編輯：知識時間：2025-12-10 04:27:03

賓夕法尼亞州立大學電子工程副教授倪興杰(中)正在操作一個傳統(tǒng)的望遠鏡鏡頭。在前景中，金屬電子工程研究生張莉丹拿著比這小得多、透鏡更平、工程更緊湊的中首metalens樣機。Credit: Jeff Xu/Penn State
（神秘的次拍地球uux.cn）據(jù)美國物理學家組織網(wǎng)（by Mariah R. Lucas, Pennsylvania State University）：天文學家和業(yè)余愛好者都知道，望遠鏡越大，攝月成像能力越強。球表為了保持動力，扁平餅同時簡化其中一個笨重的金屬組件，賓夕法尼亞州立大學領(lǐng)導的透鏡研究小組制造了第一臺超薄、緊湊的工程metalens望遠鏡，能夠?qū)b遠的中首物體成像，包括月球。次拍
金屬透鏡由微小的攝月天線狀表面圖案組成，可以聚焦光線以放大遠處的物體，與傳統(tǒng)的曲面玻璃透鏡相同，但它們的優(yōu)勢是平坦。盡管過去已經(jīng)開發(fā)出了毫米寬的小型金屬透鏡，但研究人員將透鏡的直徑擴大到了8厘米，或大約4英寸寬，使其有可能用于大型光學系統(tǒng)，如望遠鏡。他們在《納米快報》上發(fā)表了他們的方法。
“傳統(tǒng)的相機或望遠鏡鏡頭有一個不同厚度的曲面，在中間和較薄的邊緣有一個凸起，這導致鏡頭笨重，”通訊作者賓夕法尼亞州立大學電氣工程和計算機科學副教授倪興杰說?！敖饘偻哥R在透鏡上使用納米結(jié)構(gòu)，而不是曲率來塑造光線，這使它們能夠平放。”
倪說，這是現(xiàn)代手機攝像頭鏡頭從手機機身伸出的原因之一:鏡頭的厚度占用空間，盡管它們看起來很平，因為它們隱藏在玻璃窗后面。
金屬透鏡通常使用電子束光刻技術(shù)制造，這涉及到將聚焦的電子束掃描到一塊玻璃或其他透明基板上，以逐點創(chuàng)建類似天線的圖案。然而，電子束的掃描過程限制了可以制造的透鏡的尺寸，因為掃描每個點是耗時的并且產(chǎn)量低。
為了制造更大的透鏡，研究人員采用了一種被稱為深紫外(DUV)光刻的制造方法，這種方法通常用于生產(chǎn)計算機芯片。
“DUV光刻法是一種高通量和高產(chǎn)量的工藝，可以在幾秒鐘內(nèi)生產(chǎn)出許多計算機芯片，”倪說。“我們發(fā)現(xiàn)這是一種制造金屬透鏡的好方法，因為它允許更大的圖案尺寸，同時仍然保持小細節(jié)，這使得透鏡能夠有效地工作。”
研究人員用他們自己的新程序修改了這種方法，稱為旋轉(zhuǎn)晶片和縫合。研究人員將制造金屬透鏡的晶片分成四個象限，再進一步分成22乘22毫米的區(qū)域——比標準郵票還小。他們使用康奈爾大學的DUV光刻機，通過投影透鏡將圖案投影到一個象限，然后旋轉(zhuǎn)90度再次投影。他們重復旋轉(zhuǎn)，直到所有四個象限都形成圖案。
“這一過程具有成本效益，因為由于金屬透鏡的旋轉(zhuǎn)對稱性，包含每個象限的圖案數(shù)據(jù)的掩模可以重復使用，”倪說。"這降低了該方法的制造和環(huán)境成本."
隨著金屬透鏡尺寸的增加，處理圖案所需的數(shù)字文件變得非常大，這將需要DUV光刻機花費很長時間來處理。為了克服這個問題，研究人員使用數(shù)據(jù)近似值并通過引用非唯一數(shù)據(jù)來壓縮文件。
“我們利用一切可能的方法來減少文件的大小，”倪說?！拔覀兇_定了相同的數(shù)據(jù)點并引用了現(xiàn)有的數(shù)據(jù)點，逐漸減少數(shù)據(jù)，直到我們有可用的文件發(fā)送到計算機來創(chuàng)建metalens?！?br>使用這種新的制造方法，研究人員開發(fā)了一種單鏡頭望遠鏡，并捕捉到了月球表面的清晰圖像——實現(xiàn)了比以前的金屬透鏡更高的物體分辨率和更遠的成像距離。然而，在這項技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代相機之前，研究人員必須解決色差問題，當不同顏色的光進入鏡頭時，會導致圖像失真和模糊。
“我們正在探索可見光范圍內(nèi)更小、更復雜的設(shè)計，并將補償各種光學像差，包括色差，”倪說。

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