Почему в оптических приборах, таких как фотокамеры, микроскопы и телескопы, используются целые «стопки» линз? Почему нельзя обойтись одной-единственной линзой? Одной из основных причин здесь является явление дисперсии: разложения света на спектральные цвета при его прохождении через среду. При этом показатель преломления и скорость зависят от частоты световой волны.
На практике это приводит к тому, что линза не может сфокусировать свет разных цветов в одну точку одновременно. Как следствие, изображение получается размытым. Традиционное решение этой проблемы: использование набора линз. Это позволяет одновременно собрать всю световую волну в точку фокуса.
Такие оптические системы работают очень хорошо, но и у них есть проблемы. Прежде всего они связаны со сложностью и дороговизной технологий изготовления, а также внушительными габаритами таких систем. Что только не придумывают производители смартфонов, чтобы сделать блоки фотокамер более плоскими. Но всё равно они всё больше и больше выпирают из корпуса.
Не говоря уже о том, что линзы для многих оптических устройств до сих пор изготавливаются и полируются вручную, либо на очень дорогостоящем оборудовании. Но что если вместо набора традиционных линз стало бы возможным печатать тончайшие плоские линзы с помощью фотолитографов? Таким же способом, каким сейчас производятся полупроводниковые чипы?
Именно эту технологию сейчас развивают исследователи Токийского университета и японской компании JSR Corp. (один из ведущих в мире производителей светочувствительных материалов — фоторезистов, используемых в фотолитографических машинах при производства чипов). Им удалось изготовить и протестировать плоские линзы FZP (Fresnel zone plates = Зонные пластины Френеля).
Зонные пластины Френеля используют явление дифракции (огибание волнами препятствий) вместо явлений преломления (в линзах) или отражения (в изогнутых зеркалах). На основе принципа дифракции и были сконструированы плоские линзы с чередующимися прозрачными и непрозрачными концентрическими кольцами. Свет, падающий на прозрачное кольцо, пропускается, а свет, падающий на непрозрачное кольцо, дифрагирует. Интерференция (наложение когерентных, т. е. имеющих согласованные характеристики, волн) дифрагированного света определяется расстоянием между кольцами, которое подобрано так, чтобы в итоге свет оказался сфокусирован.
В некотором смысле здесь можно усмотреть аналогию с классическими оптическими линзами, которые в центре толще, чем по краям. Этим регулируется задержка световых волн, чтобы они достигли точки фокуса одновременно.
Примечательно, что новые устройства были напечатаны на степпере (шаговом двигателе) i-line. Этот фотолитограф — настоящая «рабочая лошадка» полупроводниковой отрасли, работающий на ультрафиолетовом свете с длиной волны 365 нм. Кстати, японский Nikon был первым в мире производителем, который ещё в 1984 году выпустил i-line фотолитограф: знаменитый в те годы NSR 1010i3.
Nikon и его японский собрат Canon и по сей день вовсю производят фотолитографические машины этой линейки, так что проблем с массовым производством новых линз у японцев быть не должно. К слову, недавно выпущенный первый российский фотолитограф совместной разработки Зеленоградского нанотехнологического центра и минского завода «Планар», тоже работает на световом излучении 365 нм, т. е. является i-line степпером. Так что теперь и у нас появилась возможность производить линзы нового поколения.
Можно сказать, что особый интерес к достижению японских исследователей вызван не только самим фактом изготовления новых устройств, но и тем, что их возможно производить на широко распространённом промышленном оборудовании, с помощью понятного, годами отработанного процесса: покрытие фоторезистом, экспонирование, проявление, — в общем, процесс вполне стандартный.
Даже не просто стандартный, а более простой. Ведь подложкой здесь служит не кремниевая пластина, а 8-дюймовое (200 мм) кварцевое стекло. И таких затратных производственных этапов как травление и дальнейшая обработка, характерные для полупроводникового производства, попросту не требуется. А поскольку чипы на полупроводниковых фабриках производятся в огромных объёмах и с относительно большой скоростью, то можно надеяться и на хорошие цены линз, изготовленных по этой технологии.
Новые плоские линзы способны фокусировать видимый свет с точностью до 1,1 микрона. По аналогии с полупроводниковой литографией можно сказать, что ширина линии изготовленных структур составляет 1,1 мкм. Следует отметить, что линзы — одноцветные.
Они изготавливаются с использованием красного, зелёного и синего фоторезиста (производства JSR Corp.). Красный фоторезист выступает в качестве сине-непрозрачного материала, зеленый фоторезист — в качестве красно-непрозрачного материала, а синий фоторезист — в качестве зелено-непрозрачного материала. Потом из одноцветных линз создаются комплексные конструкции.
Вообще стеклянная пластина с линзами внешне очень похожа на кремниевую пластину с чипами. При этом следует отметить, что до уровня обычных линз плоским линзам ещё очень далеко: эффективность сбора света составляет всего около 7%. Соответственно, качество изображения пока оставляет желать лучшего. Но, как говорится, начало положено. Линза толщиной с лист бумаги — с таким аргументом в эпоху миниатюризации не очень-то поспоришь.
❗ Для знатоков и любителей микроэлектроники, полупроводниковой промышленности и фотолитографии: заходите в премиум-раздел канала «Фотолитограф».