智能手机内置摄像头最昂贵的部件之一是镜头系统。这是因为镜头必须以与构成手机其余部分的电子元件完全不同的方式制造。
近年来，物理学家们寄希望于一种新型的“平面透镜”，可以雕刻在平坦的二氧化硅或类似材料上，来改变这一状况。平面透镜由硅柱组成，每个硅柱的大小都与光的波长相当。
这些硅柱与光相互作用，使其以精确可控的方式弯曲和散射。因此，通过将大量硅柱排列成周期性阵列，物理学家可以使它们以与传统透镜相同的方式弯曲光线。
这为平面透镜蚀刻到用于捕获和处理图像的相同硅芯片上铺平了道路。在这种情况下，昂贵的传统镜头将完全过时。
进展受阻
但迄今为止，利用基于光的平版印刷技术制造平面透镜的尝试均告失败。
需要的是一种能够与芯片的大规模制造兼容的制造平面透镜的新方法。
安德鲁·麦克朗（Andrew McClung）和马萨诸塞大学阿默斯特分校的同事们展示了正是这一点——一种与芯片制造兼容的新型平面透镜制造方法。他们表示，他们的方法“在消费电子产品和成像系统中具有广泛应用的潜力。”
传统镜头的制造方法通常是将玻璃或塑料倒入模具，然后通过研磨和抛光将其塑造成所需的形状。如果用于手机或类似的成像系统，这些镜头然后必须仔细地与芯片对齐并粘合到位。这既繁琐又复杂，而且昂贵。
在过去的十年里，物理学家们开始使用一种称为电子束光刻的技术来制造平面透镜，该技术可以在基板上刻出微小的特征。但由于电子束难以控制，该工艺不适用于大规模芯片制造。大规模芯片制造通常依赖于基于光的平版印刷技术，而这种技术尚无法制造出所需尺寸的平面透镜。
因此，麦克朗及其团队采用了一种与传统光学平版印刷技术截然相反的方法。他们不是将图案刻在基板上，而是将其压印上去，有点像在泥板上盖章一样。
这种被称为纳米压印光刻的技术，首先要制作一个由硅聚合物制成的纳米级印模。然后将这个印模压入一种名为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的合成树脂中。这种树脂位于氮化硅层之上，氮化硅层又位于二氧化硅层之上。
印刷奇迹
这种压印工艺会在基板上留下平面透镜形状的图案，然后可以将其蚀刻到基板上。结果是在二氧化硅基板上形成一层氮化硅柱的图案——这就是一个平面透镜。
麦克朗及其团队展示了这项技术如何能够制造出直径为 6 毫米的透镜，这些透镜能够以接近衍射极限的精度聚焦可见光，聚焦效率为 81%。相比之下，他们使用电子束光刻制造的类似透镜的聚焦效率为 89%。
这项有趣的工作有可能用于当前的批量生产设施。“可扩展制造高效率、工作在可见光波长范围内的超表面，为它们在消费类产品中的广泛应用打开了机会，”研究人员说道。
智能手机、网络摄像头等设备上的摄像头只是其中的一部分应用。平面透镜还可以用于将光线导入芯片，创建用于光处理的复杂 3D 设计。麦克朗及其团队表示：“这项进步使得开发高效紧凑的光学系统成为可能，这些系统可以无缝集成到各种应用中。”
如果他们是正确的，平面透镜应该很快就会出现在你身边的智能手机上！
参考文献：采用纳米压印光刻技术制造的高聚焦效率可见平面透镜：arxiv.org/abs/2312.13851
