Objektive werden neu erfunden und Kameras werden nie mehr dieselben sein

Objektive sind fast so alt wie die Zivilisation selbst. Die alten Ägypter, Griechen und Babylonier entwickelten alle Linsen aus poliertem Quarz und nutzten sie zur einfachen Vergrößerung. Später kombinierten Wissenschaftler im 17. Jahrhundert Linsen, um Teleskope und Mikroskope herzustellen, Instrumente, die unsere Sicht auf das Universum und unsere Position darin veränderten.



Jetzt werden Linsen durch den Prozess der Fotolithografie neu erfunden, bei dem Subwellenlängenmerkmale auf flache Glasscheiben geritzt werden. Heute zeigen Alan She und seine Freunde an der Harvard University in Massachusetts, wie man diese Elemente so anordnet, dass das Licht kontrollierter gestreut wird, als es jemals möglich war. Sie sagen, dass die resultierenden Metalllinsen die Bildgebung revolutionieren und eine neue Ära der optischen Verarbeitung einleiten werden.

Die Herstellung von Linsen war schon immer eine knifflige Angelegenheit. Es wird im Allgemeinen durchgeführt, indem geschmolzenes Glas oder Siliziumdioxid in eine Form gegossen und erstarren gelassen wird, bevor es in die erforderliche Form geschliffen und poliert wird. Dies ist ein zeitaufwendiges Geschäft, das sich erheblich von den Herstellungsprozessen für lichtempfindliche Komponenten auf Mikrochips unterscheidet.





Metalllinsen werden in einem Prozess, wie er zur Herstellung von Siliziumchips verwendet wird, auf Wafer aus Siliziumdioxid geschnitzt

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Eine Möglichkeit, Linsen auf Chips auf die gleiche Weise herzustellen, wäre also äußerst nützlich. Dadurch könnten Linsen in denselben Fabriken wie andere mikroelektronische Komponenten hergestellt werden, sogar gleichzeitig.

Sie und Co zeigen, wie dieser Prozess jetzt möglich ist. Die Schlüsselidee ist, dass winzige Merkmale, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind, es manipulieren können. Zum Beispiel kann weißes Licht in seine Farbkomponenten zerlegt werden, indem es von einer Oberfläche reflektiert wird, in die eine Reihe paralleler Gräben geschnitzt sind, die die gleiche Skala wie die Wellenlänge des Lichts haben.



Metalenses können qualitativ hochwertige Bilder erzeugen

Vorhersagen über die Zukunft

Seit Jahrhunderten spielen Physiker mit sogenannten Beugungsgittern. Aber die Photolithographie ermöglicht es, die Idee viel weiter zu führen, indem sie eine größere Bandbreite an Merkmalen erzeugt und ihre Form und Ausrichtung variiert.

Seit den 1960er Jahren erzeugt die Fotolithografie immer kleinere Strukturen auf Siliziumchips. 1970 konnte diese Technik Formen mit einer Größenordnung von etwa 10 Mikrometern in Silizium schnitzen. Bis 1985 war die Strukturgröße auf einen Mikrometer und bis 1998 auf 250 Nanometer gesunken. Heute stellt die Chipindustrie Merkmale mit einer Größe von etwa 10 Nanometern her.

Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge von 400 bis 700 Nanometern, sodass die Chipindustrie seit einiger Zeit Strukturen dieser Größe herstellen kann. Aber erst vor kurzem haben Forscher begonnen zu untersuchen, wie diese Merkmale auf flachen Siliziumdioxidschichten angeordnet werden können, um Metalllinsen zu erzeugen, die Licht brechen.



Der Prozess beginnt mit einem Siliziumdioxid-Wafer, auf dem eine dünne Siliziumschicht abgeschieden wird, die mit einem Fotolackmuster bedeckt ist. Das darunter liegende Silizium wird dann mit ultraviolettem Licht weggeschnitten. Das Wegwaschen des verbleibenden Fotolacks hinterlässt das unbelichtete Silizium in der gewünschten Form.

Sie und Co verwenden diesen Prozess, um eine periodische Anordnung von Siliziumsäulen auf Glas zu erzeugen, die sichtbares Licht beim Durchgang streuen. Und durch sorgfältige Kontrolle des Abstands zwischen den Säulen kann das Team das Licht fokussieren.

Bestimmte Säulenabstände bestimmen die genauen optischen Eigenschaften dieser Linse. Beispielsweise können die Forscher die chromatische Aberration kontrollieren, um zu bestimmen, wo Licht unterschiedlicher Farben fokussiert wird.

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Bei bildgebenden Objektiven muss die chromatische Aberration minimiert werden – sonst entstehen die farbigen Ränder um Objekte, die durch billige Spielzeugteleskope betrachtet werden. Aber in Spektrographen müssen verschiedene Farben an verschiedenen Stellen fokussiert werden. Sie und Co können beides tun.

Diese Linsen leiden auch nicht unter sphärischer Aberration, einem häufigen Problem bei gewöhnlichen Linsen, das durch ihre dreidimensionale sphärische Form verursacht wird. Metalenses haben dieses Problem nicht, weil sie flach sind. Tatsächlich ähneln sie den theoretischen idealen Linsen, die Physiker im Grundstudium in Optikkursen studieren.

Natürlich können Physiker seit Jahrzehnten flache Linsen wie Fresnel-Linsen herstellen. Aber sie waren schon immer schwer zu machen.

Der entscheidende Fortschritt dabei ist, dass Metalllinsen mit Subwellenlängen-Oberflächenmerkmalen in Massenproduktion hergestellt werden können, da sie auf die gleiche Weise wie Mikrochips hergestellt werden können. Sie und Co stellen Dutzende davon auf einem einzigen Siliziumwafer her. Jede dieser Linsen ist weniger als einen Mikrometer dick, hat einen Durchmesser von 20 Millimetern und eine Brennweite von 50 Millimetern.

Wir stellen uns einen Fertigungsübergang von der Verwendung maschinell bearbeiteter oder geformter Optiken zu lithographisch gemusterten Optiken vor, bei denen sie in ähnlicher Größenordnung und Präzision wie IC-Chips in Massenproduktion hergestellt werden können, sagen She und Co.

Und sie können dies mit einer Chipherstellungstechnologie tun, die mehr als ein Jahrzehnt alt ist. Das wird alten fabelhaften Anlagen neues Leben einhauchen. Modernstes Equipment ist sinnvoll, aber nicht zwingend erforderlich, sagen She und Co.

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Metalenses haben ein breites Anwendungsspektrum. Am offensichtlichsten ist die Bildgebung. Flachlinsen werden Abbildungssysteme dünner und einfacher machen. Aber entscheidend ist, dass Metallsensoren billiger sein werden, da sie im selben Prozess wie die elektronischen Komponenten zum Erfassen von Licht hergestellt werden können.

Kameras für Smartphones, Laptops und Augmented-Reality-Bildgebungssysteme werden also plötzlich kleiner und kostengünstiger in der Herstellung. Sie könnten sogar auf das Ende von Glasfasern gedruckt werden, um als Endoskope zu fungieren.

Auch Astronomen könnten ihren Spaß haben. Diese Linsen sind deutlich leichter und dünner als die Giganten, die sie in Observatorien wie dem Hubble-Weltraumteleskop in die Umlaufbahn gebracht haben. Eine neue Generation weltraumgestützter Astronomie und Erdbeobachtung winkt.

Aber in den Chips selbst könnte diese Technologie den größten Einfluss haben. Die Technik ermöglicht es, komplexe optische Banksysteme in Chips für die optische Verarbeitung einzubauen.

Und weitere Fortschritte sind in der Pipeline. Eine Möglichkeit besteht darin, die Eigenschaften von Metallinsen durch elektrische Felder in Echtzeit zu verändern. Das erhöht die Aussicht auf Objektive, die die Brennweite mit der Spannung ändern – oder, was noch wichtiger ist, die das Licht wechseln.

Ref: arxiv.org/abs/1711.07158 : Large Area Metalenses: Design, Charakterisierung und Massenfertigung

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