智能手机内置摄像头中最昂贵的部分之一是镜头系统，因为传统镜头必须以一种完全不同的方式制造，与手机其他部件所用的电子元件不同。
近年来，物理学家们希望通过一种新型的“金属透镜”来改变这一状况，这种透镜可以雕刻在平整的二氧化硅或类似材料的薄片上。金属透镜由硅柱组成，每个硅柱的大小大致相当于光的波长。
这些硅柱与光发生相互作用，使光以精确可控的方式弯曲和散射。通过在周期性阵列中排列大量硅柱，物理学家可以使它们以与传统透镜相同的方式弯曲光线。
这为将金属透镜蚀刻到用于捕捉和处理图像的同一硅芯片上打开了大门，使得昂贵的传统透镜变得完全过时。
努力的曲折
然而，迄今为止，使用基于光的光刻技术制造金属透镜的尝试一直没有取得成功。
所需的是另一种与大规模芯片制造兼容的金属透镜制造方式。
在此背景下，麻省大学安姆斯特分校的安德鲁·麦克朗（Andrew McClung）及其同事已经成功展示了一种完全符合芯片制造的新金属透镜制造方法。他们表示，他们的方法“具有在消费电子和成像系统中广泛采用的潜力”。
传统透镜通常是通过将玻璃或塑料注入模具中，然后将其磨削和抛光成所需形状制造的。如果用于手机或类似成像系统，然后必须将这些透镜与芯片精确对准并粘合在一起。这是一项费时、复杂且昂贵的工作。
在过去的十年中，物理学家们已经开始使用一种称为电子束光刻的过程制造金属透镜，该过程可以在基底上雕刻微小的特征。但由于电子难以控制，这个过程不适用于大规模芯片制造。通常，大规模芯片制造依赖于基于光的光刻技术，但目前尚无法以所需的尺度制造金属透镜。
因此，麦克朗及其团队并没有采用传统的光刻技术，而是完善了一种基本上相反的技术。他们并没有将图案雕刻到基底上，而是将其印刻上去，有点像在黏土板上印花图案。
这种技术称为纳米印刷光刻，它始于制造由硅聚合物制成的纳米级印章。然后，他们将这个印章按到一种合成树脂上，称为聚甲基丙烯酸甲酯或PMMA。这种树脂位于硅氮化物层的顶部，硅氧化物层的上面。
魅力之作
这个印刻过程在硅氧化物基底上留下了金属透镜形状的图案，然后可以蚀刻到基底上。其结果是硅氮化物柱的图案位于硅氧化物基底的上方 - 一种金属透镜。
麦克朗及其团队展示了这种技术如何制造直径为6毫米的透镜，其对可见光的聚焦几乎接近衍射极限，聚焦效率达到81%。相比之下，他们使用电子束光刻制造的类似透镜达到了89%的聚焦效率。
这项工作具有潜力在当前大规模生产设施中使用。“在可见波长范围内制造高效率的可扩展元表面开启了它们在消费应用中广泛采用的机会，”研究人员表示。
智能手机、网络摄像头等仅仅是这些应用的一小部分。金属透镜还可以用于引导光线穿过芯片，为光处理创建复杂的3D设计。“这一进展使得可以无缝集成到各种应用中的高效、紧凑的光学系统的开发成为可能，”麦克朗及其同事表示。
