大型メタレンズが大量生産される – Physics World

眼鏡から宇宙望遠鏡に至るまで、レンズは日常的な技術から最先端の技術に至るまで、重要な役割を果たしています。従来の屈折レンズは光学の基本的な構成要素ですが、かさばるため、使用方法が制限される場合があります。メタレンズは従来のレンズよりもはるかに薄いため、過去 XNUMX 年間にこれらのデバイスの可能性に多くの光が当てられ、有望な代替品として輝きを放っています。

メタレンズは、光の波長よりも小さい寸法を持つモチーフである「メタ原子」の配列で作られた薄い構造です。光と相互作用し、その伝播方向を変えるのはこれらのメタ原子です。

従来の屈折レンズとは異なり、メタレンズの厚さは XNUMX ミクロン未満にすることができるため、光学システム全体の体積が削減されます。また、収差などの屈折レンズに関連するいくつかの問題を回避しながら、理想的な回折限界の焦点性能を提供することもできます。

その結果、メタレンズは光学デバイスの縮小に大きな期待を寄せており、より優れた携帯電話のカメラからかさばらないウェアラブルディスプレイに至るまで、さまざまな用途に役立つ可能性があります。しかし、複雑なデザインの性質と材料要件により、メタレンズは妥当な実現可能性とコストでの大量生産にはまだ達していません。 現在、韓国の浦項科学技術大学（POSTECH）の研究者チームが率いる。 ジュンスク・ローは、数百センチメートルサイズのメタレンズを一度に製造する新しい方法を開発しました。に掲載された論文で ネイチャーマテリアルズでは、ディスプレイや仮想現実 (VR) デバイスで使用するメタレンズを作成するために、いくつかの異なるリソグラフィー技術とハイブリッド材料をどのように使用したかについて説明しています。特に、ナノインプリント リソグラフィー、つまりナノスタンプが、メタレンズを製造するための低コストでスケーラブルな方法をどのように提供できるかを示しています。

従来の厚いレンズが光学機器に使用される場合、光は空気とレンズ材料の間を移動する際に屈折し、またその逆も起こります。光の経路を変えるのはこの屈折であり、したがって光を制御する基礎となるのはレンズの形状とその屈折率です。

メタレンズでは屈折率と形状が依然として重要です。しかし、メタレンズは巨視的には平坦であるため、デバイスの光学特性を定義するのはメタ原子の形状と組成です。

研究チームのハイブリッドメタ原子は、「展示中」の図に示すように、さまざまなサイズのガラス基板の表面に成形されたチタニアで覆われた樹脂でできています。メタ原子は高さ 900 nm、長さ 380 nm、幅 70 nm です。チタニアコーティングの厚さはわずか 23 nm です。このタイプの高解像度ナノパターニングは従来高価であり、一度に狭い領域しかカバーできません。

シリコンテクノロジーとナノスタンピングの融合

今回、Rhoらは、すでに成熟したXNUMXつの製造技術を統合することにより、メタレンズの製造を簡素化した。これらは、フォトリソグラフィー、ナノインプリントリソグラフィー、および原子層堆積です。フォトリソグラフィーでは、深紫外レーザーを使用してシリコン ウェーハ上にパターンを作成します。これはエレクトロニクス業界の標準的な技術であり、小規模のメタレンズの製造にも使用できます。しかし、これは高価なプロセスであり、メタレンズの大規模製造には現実的ではありません。

メタレンズの製造に深紫外フォトリソグラフィーを使用する代わりに、チームはこのフォトリソグラフィーを使用して、直径 12 インチ (30 cm) でフィーチャ解像度 40 nm のマスター スタンプをパターン化しました (図「製造プロセス」を参照)。このスタンプを使用して、メタ原子構造の反転を柔らかいシリコンで作られたレプリカモールドに刻印しました。次に、液体樹脂をシリコーン型に注ぎ、硬化する前にナノグルーブに流し込みました。これにより、チームは数百のメタレンズ (図 1 の 2 cm の円柱) を同時に作成することができました。実際、走査型電子顕微鏡画像に示されている精巧な表面構造 (図「製造プロセス」を参照) は 15 分未満で作成できます。

樹脂の屈折率は、光を適切に制御するには低すぎるため、樹脂の上にチタニアの薄層を堆積して、屈折率を高め、構造の機械的強度を高めました。

光のVRを実現しましょう

メタレンズの可能性を実証するために、チームはメタレンズをプロトタイプの VR ディスプレイに統合しました。市販の VR デバイスは、反射または回折を使用して仮想イメージをユーザーの目に投影します。そのため、光学系に適切な焦点距離を収容する必要があるデバイスが大きくなります。同社のメタレンズベースの VR ディスプレイは、透過ベースの設計を使用することで光の到達距離を短縮します。これにより、ディスプレイが軽量になり、快適な装着感が得られます。チームは静止画像でのみディスプレイをテストしましたが、このデバイスは赤、緑、青の光を使用して画像を作成することで有望性を示しました。オールカラーディスプレイの構成要素（図「プロトタイプディスプレイ」を参照）。

研究チームは、彼らのスケーラブルな製造方法により、従来の方法で製造されたデバイスよりも高いパフォーマンスのメタレンズが製造できると述べています。進歩の余地はまだたくさんありますが、量産型メタレンズの出現により、バイオセンサー、カラー印刷、ホログラム、さらには VR ディスプレイでの使用への扉が開かれています。

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/large-metalenses-are-produced-on-a-mass-scale/