Ученые из Токийского университета совместно с JSR Corp. разработали инновационную технологию производства плоских линз Френеля, используя стандартное оборудование полупроводниковой отрасли. Этот подход может значительно удешевить и упростить процесс создания оптических приборов.
Их исследование показало, что производить такие линзы можно при помощи стандартного шагового двигателя, распространённого в полупроводниковой сфере. Разработанный способ заметно упрощает и удешевляет процесс создания плоских линз по сравнению с традиционными методами метаповерхности, которые требуют сложного и дорогого процесса нанолитографии.
«Мы разработали доступный и массовый способ изготовления на основе стандартной полупроводниковой литографии и шагового двигателя. Это стало возможным благодаря особому цветному резисту — фоторезистивному материалу, изначально применяемому как цветной фильтр. Простым нанесением, экспонированием и проявлением мы создали линзы, фокусирующие видимый свет до всего 1,1 микрона — в 100 раз тоньше человеческого волоса», — рассказал доцент Куниаки Кониси из Института фотонной науки и технологий.
Цветной резист представляет собой светочувствительное вещество (УФ-отверждаемая смола с агентом для экранирования определённого диапазона видимого света), первоначально предназначенное для использования как цветной фильтр.
Производственный процесс состоит из трёх основных этапов. Для начала, цветной резист наносится на стеклянную подложку, для чего используют три вида: красный (RED-101), зелёный (JSSG-9135) и синий (BLUE-105). Каждый из них поглощает свет в определённом диапазоне, позволяя формировать амплитудные линзы для разных длин волн. Неотверждённые участки резиста, оставшиеся без воздействия УФ-излучения, растворяются в щелочном проявителе, что соответствует созданию субмикроструктур с специфическими абсорбционными свойствами. Затем осуществляется экспонирование в УФ-свете с длиной волны 365 нм. В финале происходит проявление, удаляющее неэкспонированные области и формирующее необходимую структуру.
Учёные успешно изготовили линзы различного диаметра на 8-дюймовой подложке. Для демонстрации выбраны линзы размером 3,0 мм (красный резист), 4,5 мм (зелёный резист) и 3,7 мм (синий резист).
Линза синего резиста показала эффективность фокусировки 7,2% при длине волны 550 нм с порогом ошибки 0,8%. Эти показатели были достигнуты путём измерения мощности света, сконцентрированного на области, равной трём размерам полной ширины на полуоптимальной высоте (FWHM). Числовое моделирование указывает на возможность повышения эффективности до 10,9% при работе с монохроматическим светом.
Исследователи также создали симуляции, которые отлично согласуются с экспериментальными данными. «Это позволяет адаптировать конструкции под конкретные задачи в различных сферах, включая медицину, ещё до начала производства», — отметил Кониси. Подобный подход позволяет тонко настраивать конструкции под индивидуальные нужды различных областей, таких как медицина, астрономия и бытовая электроника.
Минимальное фокусируемое пятно в исследовании составило 1,1 мкм при использовании света длиной волны 550 нм и синего цветового резиста. Данный размер практически совпадает с минимальной шириной линии, достигнутой при изготовлении линзы, что говорит о прямой связи между разрешающей возможностью процесса и оптическими характеристиками линз.
Эта инновационная технология обладает рядом преимуществ над традиционными методами производства. Она характеризуется простотой и возможностью масштабного внедрения, так как метод легко адаптируется и подходит для массового производства. Экономическая целесообразность достигается благодаря использованию стандартного фотолитографического оборудования, что снижает производственные затраты. Также процесс является экологически чистым, исключая применение токсичных травильных агентов и существенно снижая энергопотребление. Эксперименты подтвердили высокую точность создания плоских линз Френеля, удостоверяя надёжность и эффективность методики.
Несмотря на то, что новые линзы пока уступают традиционным по эффективности, разработка имеет значительный потенциал для изменений в разных промышленных областях.
«В данный момент основной недостаток заключается в слабой способности сбора света, что создаёт шумные изображения. Однако мы уже разрабатываем способы увеличения этого показателя в четыре раза, изменяя применение цветных резистов. Для этого потребуется строгий контроль физических свойств, которых ещё не было на момент исследований», — пояснил Кониси.
Хотя потребуется время, прежде чем такие линзы найдут применение в потребительской электронике, например, в ультратонких смартфонах, перспективы их появления на рынке в ближайшие годы весьма велики.
Источник: iXBT
