Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) は、直径わずか10cmの初の全面ガラス製メタレンズの開発に成功した事を報告している。この革新的なメタレンズは、太陽や月、さらには遠くの天体などの高解像度の画像を撮影することを可能にする、望遠鏡用の次世代光学系の開発に大きな変化をもたらすかもしれない。

メタサーフェスレンズ（メタレンズ）とは、光の波長よりも細かなナノメートル（nm、1nmは10億分の1メートル）スケールの人工構造によって構成されるレンズである。SEASは、従来のCMOS製造技術を使用して大量生産できる、可視波長における初の全ガラス製大型メタレンズの開発に成功した。

SEASの上級研究員であり、論文の主執筆者であるFederico Capasso氏は、「最先端の半導体ファウンドリー・プロセスを用いて、前例のないほど大きなフラットレンズ上の数百億のナノピラーのサイズを正確に制御する能力は、宇宙科学技術にエキサイティングな新しい可能性を開くナノ加工の偉業です」と語った。

Capasso氏とSEASチームは2019年、スマートフォンやコンピューター用のシリコン チップに細い線や形状をパターン化するために一般的に使用される、深紫外（DUV）投影リソグラフィーを用いてセンチメートル・スケールのメタレンズを開発することから研究を開始した。この投影リソグラフィーは、ガラス・ウエハーに直接エッチングできるナノ構造パターンを投影・形成するもので、これまでのメタレンズに必要だった時間のかかる書き込み・蒸着工程を省くことができる。

しかし、研究チームは当初、天体撮像用の大型メタレンズの設計で難題に直面した。

「というのも、リソグラフィ・ツールはコンピュータ・チップの製造に使用されるため、チップの大きさは20～30ミリ以下に制限されているからです。直径100ミリのレンズを作るためには、この制限を回避する方法を見つける必要がありました」と、Capasso氏は語る。

この工学的課題を克服するため、研究者たちはDUV投影リソグラフィ技術を使って、多数の “ナノピラーのパターン”を滑らかに結合させた。この手法により、10センチの円形表面に187億個のカスタマイズされたナノ構造を数分で転写できることが示されたのだ。

「同じDUV投影リソグラフィーを使えば、対応するCMOSファウンドリーツールが業界でますます利用可能になるにつれて、大口径の収差補正メタオプティクスやさらに大きなレンズを、より大きなガラス直径のウェハー上に製造することができます」と、SEASのポスドク研究員で論文の共同筆頭著者であるSoon Wei Daniel Lim氏は語った。

これらのパターニングとエッチングの進歩が組み合わさることで、天体観測用のイメージング能力を向上させたオールガラスメタレンズの開発が可能になった。

メタレンズは熱や寒さにも耐えられる

研究者たちは、新たに開発したメタレンズが、可視波長域の近傍天体の画像を撮影するのに有効であることを示した。

新設計のメタレンズは、ハーバード大学のサイエンス・センターの屋上で、カラーフィルターとカメラ・センサーを備えた三脚に固定された。

デモンストレーションでは、太陽、月、そして地球から約2590光年離れたかすかな星雲の撮影に成功した。

「従来のレンズで撮影した画像に匹敵する、太陽、月、星雲の非常に詳細な画像を得ることができました」と、Capasso研究室の大学院生で論文の共著者であるArman Amirzhan氏はリリースで述べている。

別の実験では、研究者たちはメタレンズを使って黒点群を撮影した。驚くべきことに、生成された画像は、NASAが同じ日に取得した同じ黒点の画像にほぼ似ていた。

耐久性については、メタレンズは極端な暑さと寒さの両方の条件に耐えることで弾力性を示している。さらに、宇宙打ち上げ時の激しい振動にも耐え、破損や光学性能の劣化がないことを保証している。

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論文

• ACS Nano: All-Glass 100 mm Diameter Visible Metalens for Imaging the Cosmos

参考文献

• Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences: The metalens meets the stars

研究の要旨

サブ波長スケールのナノ構造から作られる光学部品であるメタサーフェスは、大面積にわたって精密に設計された膨大な数の素子を製造するというスケーリングの課題により、ミリメートルサイズに制限されてきた。本研究では、深紫外（DUV）投影リソグラフィーを用いて、187億個のナノ構造からなる直径100mmの全面ガラス製メタサーフェスレンズ（メタレンズ）を、可視域で高速F値（f/1.5、NA = 0.32）で動作させることを実証する。我々の研究は、リソグラフィツールの露光面積の制約を克服し、大規模なメタサーフェスが商業的に実現可能であることを実証している。さらに、メタレンズのイメージング品質に対する様々な製造誤差の影響を調査し、そのうちのいくつかは、このような大面積メタサーフェスに特有のものである。可視波長における太陽、月、および発光星雲の直接的な天体イメージングを実証し、宇宙アプリケーションのための極端な環境熱変動下におけるこのようなメタサーフェスの堅牢性を検証する。