80毫米大口径超构透镜望远镜，首次成功拍摄月球表面

据麦姆斯咨询报道，美国宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）的研究人员开发了一种超薄、紧凑的超构透镜（metalens）望远镜，相关研究成果已经发表于Nano Letters期刊。

对天文学家而言，望远镜越大，成像能力就越强。宾夕法尼亚州立大学的科研团队开发了一种针对望远镜应用的超构透镜，在确保望远镜强大性能的同时，精简了传统望远镜体积较大的透镜部件，打造了第一台超薄、紧凑的超构透镜望远镜，能够对月球等遥远物体进行成像。

超构透镜包含微小的天线状表面图案，可以像传统曲面玻璃透镜一样聚焦光线，以放大远处的物体，但它们具有平面型优势。尽管之前已经开发出了毫米宽的小型超构透镜，但针对望远镜等大型光学系统，研究人员将透镜的尺寸扩大到了直径80毫米。

宾夕法尼亚州立大学电子工程和计算机科学副教授、通讯作者Xingjie Ni表示：“传统相机或望远镜镜头的曲面厚度不同，中间凸起，边缘较薄，这导致镜头尺寸较大且笨重。超构透镜采用纳米结构而不是曲率来改变光的传播路径，这使得它们可以扁平化。”

Ni继续解释称，现代智能手机摄像头从机身突出的原因之一，便是镜头的厚度需要占用空间。尽管它们外观看起来是平面的，但这是因为它们将曲面透镜隐藏在了玻璃窗口后面。

超构透镜通常使用电子束光刻技术在透明基板上制造，以形成类似天线的图案。然而，电子束的扫描过程限制了透镜的尺寸，因为每个点的扫描都需要时间，吞吐量低。

为了制造更大的超构透镜，宾夕法尼亚州立大学的研究人员采用了一种通常用于制造计算机芯片的深紫外（DUV）光刻制造方法。

高通量且高良率

“DUV光刻是一种高通量且高良率的工艺，可以在几秒钟内构建大量的计算机芯片。”Ni说，“我们发现这是一种很好的超构透镜制造方法，可以构建更大的图案尺寸，同时仍保持微小细节，从而确保超构透镜的有效工作。”

研究人员用他们自己的新工艺调整了制造方法，即旋转晶圆和拼接（stitching）。他们将制作超构透镜的晶圆分成四个象限，再分成22 mm x 22 mm的区域。然后，他们利用纽约康奈尔大学的DUV光刻机，通过投影透镜将图案投影到一个象限上，再通过旋转并重复，直到所有四个象限都被图案化。

使用大口径超构透镜望远镜拍摄的月球表面图像

用大口径超构透镜拍摄的烛火

“由于超构透镜的旋转对称性，包含每个象限图案数据的掩模可以重复使用，因此该工艺的成本效益很高。”Ni介绍说，“这降低了该方法的制造和环境成本。”

随着超构透镜尺寸的增大，处理图案所需要的数字文件变得很大，DUV光刻机需要很长的时间才能处理。为了解决这个问题，研究人员使用数据近似并通过引用非唯一数据来对文件进行压缩。

通过新的制造方法，研究人员开发了一台单超构透镜望远镜，并拍摄了月球表面的清晰图像，相比过去的超构透镜望远镜实现了更高的分辨率和更远的成像距离。不过，在将这项技术应用于现代相机之前，研究人员还需要进一步解决色差问题。

论文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03561

审核编辑 ：李倩

曲面结构计算机科学路径

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