超镜头已被用于对组织的微观特征进行成像并解析小于光波长的细节。现在他们正在变得更大。

大型全玻璃超透镜成像太阳月亮和星云

哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员开发出一种直径10厘米的玻璃超透镜，可以对太阳、月亮和遥远的星云进行高分辨率成像。它是第一个可见波长范围内的全玻璃大型超透镜，可以使用传统CMOS制造技术进行批量生产。

费德里科·卡帕索表示：“利用最先进的半导体铸造工艺，能够在前所未有的大平面透镜上精确控制数百亿纳米柱的尺寸，这是一项纳米制造壮举，为空间科学和技术带来了令人兴奋的新机遇。”，SEAS应用物理学RobertL.Wallace教授和电气工程VintonHayes高级研究员，也是该论文的高级作者。

大多数平面超透镜使用数百万个柱状纳米结构来聚焦光线，其大小约为一块闪光片。2019年，卡帕索和他的团队使用深紫外(DUV)投影光刻技术开发了一种厘米级的超透镜，该技术可以投影并形成纳米结构图案，可以直接蚀刻到玻璃晶圆上，从而消除了耗时的写入和绘制过程。以前的超透镜所需的沉积工艺。

DUV投影光刻通常用于在智能手机和计算机的硅芯片中形成细线和形状图案。Joon-SuhPark是SEAS的前研究生，现任Capasso团队的博士后研究员，他证明该技术不仅可以用于大规模生产超透镜，还可以增加超透镜的尺寸，以便在虚拟和增强现实中应用。

天鹅座北美星云的图像，由剑桥科学中心屋顶上的超透镜拍摄。图片来源：卡帕索实验室/哈佛海洋研究所

但是，为了天文学和自由空间光通信的应用而使超透镜变得更大会带来工程问题。

该论文的共同第一作者Park表示：“光刻工具存在一个重大限制，因为这些工具用于制造计算机芯片，因此芯片尺寸被限制在不超过20至30毫米。”“为了制造直径100毫米的镜头，我们需要找到解决这一限制的方法。”

Park和团队开发了一种技术，使用DUV投影光刻工具将多种纳米柱图案缝合在一起。通过将透镜分为25个部分，但考虑到旋转对称性，仅使用象限的七个部分，研究人员表明，DUV投影光刻可以在几分钟内将187亿个设计的纳米结构图案化到10厘米的圆形区域上。

该团队还开发了一种垂直玻璃蚀刻技术，可以在玻璃中蚀刻出高纵横比、光滑侧壁的纳米柱。

SoonWeiDanielLim表示：“随着相应的CMOS代工工具在行业中的应用越来越广泛，使用相同的DUV投影光刻技术，可以在更大的玻璃直径晶圆上生产大直径、像差校正元光学器件，甚至更大的透镜。”SEAS博士后研究员，也是该论文的共同第一作者。

Lim在对大规模制造过程中可能出现的所有可能的制造错误以及它们如何影响超镜头的光学性能进行全面模拟和表征方面发挥了主导作用。

在解决了可能的制造挑战后，研究人员展示了超透镜在天体成像中的强大功能。

Park和团队将超透镜安装在带有滤色镜和相机传感器的三脚架上，然后登上了哈佛大学科学中心的屋顶。在那里，他们拍摄了太阳、月亮和北美星云(位于天鹅座约2,590光年远的暗淡星云)的图像。

仅使用超透镜，研究人员就能够拍摄出与美国宇航局当天拍摄的图像相同的太阳黑子簇图像。

该团队还证明，该镜头可以承受极热、极冷以及太空发射期间发生的强烈振动，而不会损坏或损失光学性能。

由于其尺寸和单片玻璃成分，该透镜还可用于远程电信和定向能量传输应用。