哈佛新发明：可批量生产的超薄大型望远透镜

Daphane

來源:大纪元



图为有DUV蚀刻除来的玻璃超透镜，它可以装CMOS在对太阳、月亮和遥远的星云进行高解析度成像。（Capasso Lab/Harvard SEAS）

【大纪元2024年01月22日讯】（大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导）随着太空科技的发展，人们不仅开发出更先进的火箭和卫星，也在开发解析度更高和更强的太空望远镜。美国哈佛大学新开发一种可量产的大型“玻璃超透镜”，它不仅轻薄，还能拍摄清晰的太阳、月亮和宇宙中遥远的星云。

这种新型的“玻璃超透镜（Metalens）”是目前第一个在可见波长（可见光）范围内作用的全玻璃大型超透镜，且可用在互补式金氧半导体（CMOS）上直接进行成像。CMOS经常用来制作相机和一些手机感光元件，将光（光子）换成电子讯号（电子）传输到相机和手机之中。

由于天文望远镜多数受光学机械安装限制，折射物镜直径越大，其体积和重量也越大，因此大孔径光学元件通常必须是反射型而不是透射型。另外，这种大物镜孔径对于收集微弱或快速变化讯号的光学系统来说十分重要。

这次，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（Harvard SEAS）研究人员费德里科·卡帕索（Federico Capasso）教授和他的同事克服了深紫外线（DUV）光刻的曝光面积限制，开发出一种新型的大直径玻璃超透镜，它不仅重量轻，且清晰度不输传统的玻璃超透镜。

卡帕索博士团队在2019年就曾用深紫外线（DUV）投影光刻技术（常用于生产芯片上），开发出一种厘米级超透镜。这项技术可以形成纳米结构图案，也能直接蚀刻到玻璃晶圆上，这大大减少了机器写入和绘制过程，因为以前的超透镜需经过很长的化学沉积和打磨抛光过程。

为了符合DUV光刻工具的曝光尺寸限制（22×22毫米），实验人员经过多次的改良。他们先将直径100毫米的透镜区域划分为5×5正方形阵列（共25个正方形），而每个方形大小20×20毫米，以方便后面拼接蚀刻的进行。

之后，他们在石英芯片上涂上一层150纳米（nm）厚的铝薄膜、一层氟化镁（MgF2）抗反射涂层（ARC）和正DUV光致抗蚀剂层，方便DUV的光刻光束对石英芯片进行蚀刻。经过几分钟后完成基本光刻，最后用酸洗掉剩余不要的铝薄膜。

这个直径10公分大小的玻璃超透镜，整个镜面上布满187亿个完整的垂直熔融石英（SiO2）柱，而这些石英柱高度1.5 微米（μm），大小250至600nm，圆柱之间的间距为250 nm。

他们选用垂直熔融石英蚀刻工艺去制作玻璃超透镜，原因是熔融石英的铸造条件较低，且具有较高的耐受性质，对设计的上限并不那么严格。此外，耐热性使得各种涂层（例如，抗反射或防污涂层）能够直接沉积到超透镜或其背面上，这是将此类超透镜用于多种天文应用的基本要求。

这种用DUV做出来的直径10公分长玻璃超透镜，要比同样直径是10公分的普通璃超透镜轻薄上许多，且可以直接运用在CMOS上。

原因是新的玻璃超透镜厚度0.5毫米、重量14.6克，且拥有150毫米长的焦距，适用于632.8 nm波长的可见光，还有0.32的数值孔径（NA）或1.5f值（光圈值大小），而普通的超透镜虽然一样有150毫米长的焦距，但厚度21毫米，重量242.2公克，适用于587.6nm波长的可见光。

另外，实验人员将DUV做出来玻璃超透镜安装在CMOS成像感测器上，同时再安装一个可更换彩色滤镜的机器（中间没有其他透镜）和一个定位赤道用的引导镜，做成一台可观察天体的望远镜。

他们用它来捕捉太阳上的黑子影像、北美星云（位于天鹅座中约2,590光年的暗淡星云）和月球的影像。这台仪器拍摄出的效果，与美国太空总署（NASA）当天拍摄太阳黑子簇影像相同，且其它拍摄的影像效果也十分清晰。

实验团队为了评估镜头是否能够承受太空中的恶劣环境，对它进行一系列的压力测试。发现该镜头在极热（400°C以内）、极冷（零下195.8°C），以及模拟太空发射期间发生的强烈振动测试中，均没有出现明显的物理、光学性能损坏。

报告中还提到，这种超透镜的直径可以进一步增加到290毫米左右，因为300毫米直径晶圆和相应的CMOS的应用越来越广泛。他们还表示，这种大面积光学元件，可以有效分散能量密度，降低元件结构损坏或过热的风险。

卡帕索教授对该校的新闻室表示，“我们利用最先进的半导体铸造工艺，在大平面透镜上精确控制数百亿纳米柱的尺寸，这是前所未有的一项制造壮举，同时给太空的科学和技术带来新希望。”

参与这次实验的美国加州史丹佛林顺伟（Soon Wei Daniel Lim）则表示：“随着相应的CMOS代工工具在业界的应用越来越广泛，使用相同的DUV投影微影技术，可以在更大的玻璃直径晶圆上生产大直径、像差校正元光学器件，甚至更大的透镜。”

这项实验得到了美国国防高级研究计划局（DARPA）的资助、美国空军科学研究办公室的资助，其研究成果于1月17日发表在《美国化学会》期刊上，同时被十多家媒体转载报导。