Astronomen und Amateurastronomen wissen gleichermaßen, dass je größer das Teleskop ist, desto leistungsstärker die Bildgebungsfähigkeiten sind. Ein von der Penn State geleitetes Forschungsteam entwickelte das weltweit erste ultradünne, kompakte Metallteleskop, das entfernte Objekte wie den Mond fotografieren kann.
Metallenses bestehen aus mikroskopisch kleinen, antennenartigen Oberflächenmustern, die fokussieren könnenLicht zum Vergrößern entfernter Objekte auf die gleiche Weise wie typische gebogene Glaslinsen, aber sie sind flach. Während zuvor winzige, millimeterbreite Metalllinsen konstruiert worden waren, vergrößerten die Forscher die Größe der Linse auf acht Zentimeter Durchmesser oder etwa vier Zoll Breite, was den Einsatz in großen optischen Systemen wie Teleskopen ermöglichte.
Der korrespondierende Autor Xingjie Ni, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Informatik an der Penn State, sagte: „Herkömmliche Kamera- oder Teleskopobjektive haben eine gekrümmte Oberfläche mit unterschiedlicher Dicke, wo Sie eine Beule in der Mitte und dünnere Kanten haben, wodurch das Objektiv sperrig und schwer wird. Metalllinsen verwenden Nanostrukturen auf der Linse anstelle von Krümmungen, um das Licht zu konturieren, wodurch sie flach aufliegen können.“
Laut Ni ist dies einer der Gründe, warum aktuelle Handy-Kameralinsen aus dem Gehäuse des Telefons herausragen: Die Dicke der Linsen nimmt Platz ein, auch wenn sie flach erscheinen, da sie hinter einer Glasscheibe verborgen sind.
Metalllinsen werden häufig durch Elektronenstrahllithographie erzeugt, bei der ein fokussierter Elektronenstrahl über ein Stück Glas oder ein anderes transparentes Substrat geführt wird, um Punkt für Punkt antennenartige Muster zu bilden. Andererseits schränkt das Abtastverfahren des Elektronenstrahls die Größe der konstruierbaren Linse ein, da das Abtasten jedes Punktes Zeit kostet und einen geringen Durchsatz hat.
Die Forscher verwendeten eine Produktionstechnologie, die als Deep Ultraviolett (DUV)-Photolithographie bekannt ist und häufig zum Bau von Computerchips verwendet wird, um eine größere Linse zu konstruieren.
Ni sagte. „Die DUV-Photolithographie ist ein Prozess mit hohem Durchsatz und hoher Ausbeute, mit dem viele Computerchips innerhalb von Sekunden hergestellt werden können. Wir fanden, dass dies eine gute Herstellungsmethode für Metalllinsen ist, da sie viel größere Mustergrößen ermöglicht und gleichzeitig kleine Details beibehält, wodurch die Linse effektiv arbeiten kann.“
Die Forscher verbesserten den Prozess, indem sie ihr rotierendes Wafer- und Stitching-Verfahren entwickelten. Der Wafer, auf dem die Metalens waren, wurde in vier Quadranten zerlegt, die dann in 22 mal 22 Millimeter große Abschnitte unterteilt wurden – kleiner als eine herkömmliche Briefmarke.Sie verwendeten DUV-Lithographie, um ein Design auf vier Quadranten zu projizieren, um 90 Grad zu drehen und zu wiederholen, bis alle vier gemustert waren.
Er auch genannt, „Das Verfahren ist kostengünstig, weil die Masken mit den Musterdaten für jeden Quadranten aufgrund der Rotationssymmetrie der Metalens wiederverwendet werden können. Dies reduziert die Herstellungs- und Umweltkosten des Verfahrens.“
Die zur Herstellung der Muster erforderlichen digitalen Dateien gewannen mit zunehmender Größe der Metalens an Bedeutung, deren Verarbeitung durch die DUV-Lithographiemaschine lange dauern würde. Die Forscher komprimierendie Dateien, indem sie auf nicht eindeutige Daten verweisen und Datenannäherungen verwenden, um dieses Problem zu beheben.
Ein Wissenschaftler sagte, „Wir haben alle möglichen Methoden genutzt, um die Dateigröße zu reduzieren. Wir haben identische Datenpunkte identifiziert und auf vorhandene verwiesen und die Daten schrittweise reduziert, bis wir eine brauchbare Datei hatten, die wir an die Maschine zur Erstellung der Metalens senden konnten.“
Die Forscher schufen mithilfe einer neuartigen Produktionstechnologie ein Einzellinsen-Teleskop. Sie nahmen klare Fotos der Mondoberfläche auf und erreichten eine höhere Objektauflösung und eine größere Abbildungsentfernung als frühere Metallsensoren. Bevor die Technik jedoch in aktuellen Kameras verwendet werden kann, müssen sich die Forscher mit dem Problem der chromatischen Aberration befassen, die zu Bildverzerrungen und Unschärfen führt, wenn verschiedene Lichtfarben in ein Objektiv eintreten und sich in verschiedene Richtungen biegen.
Er sagte, „Wir erforschen kleinere und anspruchsvollere Designs im sichtbaren Bereich und werden verschiedene optische Aberrationen, einschließlich chromatischer Aberration, kompensieren.“
Zu den Co-Autoren gehören Lidan Zhang, Shengyuan Chang, Xi Chen, Yimin Ding, Md Tarek Rahman und Yao Duan, alle aktuelle oder ehemalige Studenten der Elektrotechnik an der Penn State University. Mark Stephen vom Goddard Space Flight Center der NASA trug ebenfalls dazu bei.
Diese Forschung wurde vom NASA Early Career Faculty Grant, dem US Office of Naval Research und der National Science Foundation finanziert.
Zeitschriftenreferenz:
- Lidan Zhang, Xi Chen, et al. Hocheffizientes Metalens-Teleskop mit 80-mm-Öffnung. NanoLett. DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03561
