Chỉ mỏng 1 micromet, một thế hệ siêu ống kính mới hứa hẹn cách mạng hóa toàn bộ ngành nhiếp ảnh

Các ống kính hiện tại đã có tuổi đời tương đương với nền văn minh của chúng ta. Từ thời người Ai Cập, người Hy Lạp hay Ba Tư cổ đại, họ đã phát triển các ống kính làm từ đá thạch anh được đánh bóng và sử dụng chúng cho mục đích phóng đại vật thể đơn giản. Sau này, các nhà khoa học thế kỷ 17 đã kết hợp các ống kính với nhau để làm nên kính thiên văn và kính hiển vi, các dụng cụ đã giúp thay đổi góc nhìn của chúng ta về vũ trụ và vị trí của mình bên trong nó.

Nhưng giờ ống kính đang đứng trước ngưỡng cửa của quá trình phát minh lại bằng kỹ thuật quang khắc litho (hay photolithography), giúp tạo ra các vệt khắc bước sóng ngắn trên bề mặt tấm kính phẳng. Alan She và các đồng nghiệp của mình tại trường Đại học Harvard ở Massachusetts đã cho thấy làm thế nào có thể sắp xếp các đặc tính này với nhau để kiểm soát nhiều hơn với ánh sáng phân tán.

Các nhà nghiên cứu cho biết, cuối cùng họ đã tạo ra các “metalens” – các siêu ống kính – có khả năng cách mạng hóa việc chụp ảnh và mở ra một kỷ nguyên mới về xử lý quang học.

Việc sản xuất ống kính luôn là một ngành kinh doanh đầy thách thức. Cách làm chung của nó là rót thủy tinh nóng chảy, hay Silicon Dioxide SiO2, vào khuôn và để nó tạo hình trước khi đem mài và đánh bóng nó thành hình dạng mong muốn. Đó là công việc mất nhiều thời gian, và khác biệt đáng kể so với các quá trình sản xuất của những bộ phận cảm biến ánh sáng trên các microchip.

Vì vậy, nếu có thể tiến hành sản xuất ống kính tương tự như cách sản xuất chip ngày nay sẽ đem lại các lợi ích to lớn. Nó sẽ cho phép các ống kính có thể được chế tạo trong cùng nhà máy với các bộ phận vi điện tử khác, thậm chí sản xuất cùng một lúc.

Khi kỹ thuật sản xuất chip được áp dụng vào chế tạo siêu ống kính

She và đồng nghiệp đã cho thấy quá trình này có thể diễn ra như thế nào. Ý tưởng cốt lõi ở đây là các vệt khắc siêu nhỏ, nhỏ hơn cả bước sóng ánh sáng, có thể chế tạo như thế nào. Ví dụ, ánh sáng trắng có thể bị chia tách thành màu sắc thành phần bằng cách phản chiếu nó vào một bề mặt đã được khắc thành các đường rãnh song song nhau, có cùng chiều rộng bằng bước sóng ánh sáng.

Các nhà vật lý đã làm ra một thiết bị có tính năng tương tự như vậy từ hàng thế kỷ nay, gọi là lưới lọc nhiễu xạ. Nhưng kỹ thuật quang khắc litho có thể đưa ý tưởng này đi xa hơn bằng cách tạo ra các vết khắc có phạm vi rộng hơn và có hình dạng và phương hướng đa dạng hơn.

Từ những năm 1960, kỹ thuật quang khắc litho đã tạo ra các vết khắc còn nhỏ hơn nữa trên các con chip silicon. Năm 1970, kỹ thuật này có thể khắc nên các hình dạng khác nhau trên miếng silicon với kích thước chỉ khoảng 10 micromet. Vào năm 1985, kích thước vết khắc giảm xuống chỉ còn 1 micromet, và năm 1998 là 250 nanomet. Ngày nay, ngành công nghiệp chip tạo ra các vết khắc có kích thước chỉ khoảng 10 nanomet.

Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ khoảng 400 đến 700 nanomet, vì vậy, ngành công nghiệp chip hoàn toàn có thể tạo nên các vết khắc với kích thước này trong một thời gian ngắn. Nhưng chỉ đến gần đây, các nhà nghiên cứu mới bắt đầu xem xét khả năng các vết khắc này có thể được thực hiện trên một tấm Silicon Dioxide phẳng để tạo ra các siêu ống kính có thể bẻ cong ánh sáng.

Quá trình này bắt đầu với một tấm Silicon Dioxide, ở phía trên lắng đọng một lớp Silicon mỏng được bao phủ theo mô hình lớp chất phản quang. Lớp Silicon ở dưới sau đó được khắc bằng ánh sáng tử ngoại. Làm sạch những chất phản quang còn sót lại sẽ cho ra lớp silicon không tiếp xúc với ánh sáng, có hình dạng như ý muốn.

She và đồng nghiệp của mình sử dụng quy trình này để tạo ra một mảng các trụ silicon trên thủy tinh để phân tán ánh sáng khi nó đi qua. Và bằng cách kiểm soát cẩn thận khoảng cách giữa các trụ, nhóm nghiên cứu có thể đưa ánh sáng tập trung vào một điểm.

Các trụ silicon trên bề mặt metalens.

Khoảng cách giữa các trụ cụ thể sẽ xác định các đặc tính quang học chính xác của ống kính này. Ví dụ, các nhà nghiên cứu có thể kiểm soát được mức độ quang sai để xác định xem ánh sáng của những màu khác nhau cần tập trung ở đâu.

Cuộc cách mạng về thế hệ ống kính mới

Trong các ống kính máy ảnh, hiện tượng quang sai cần được giảm thiểu – nếu không nó sẽ tạo ra các viền màu bao quanh vật thể, giống như khi được nhìn qua các kính thiên văn đồ chơi giá rẻ. Nhưng trong các máy quang phổ, màu sắc khác nhau phải được tập trung vào những vị trí khác nhau. She và đồng nghiệp của mình cũng có thể làm được điều đó.

Các ống kính này cũng không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng cầu quang sai, một vấn đề hay gặp với các ống kính thông thường, do kiểu dáng hình cầu ba chiều của chúng. Các siêu ống kính không gặp phải vấn đề này bởi vì chúng có cấu tạo phẳng. Trên thực tế, những ống kính này tương tự như các “ống kính lý tưởng” theo lý thuyết mà các nhà vật lý học chưa tốt nghiệp từng phải nghiên cứu trong các khóa học quang học của mình.

Tất nhiên, các nhà vật lý có thể làm những ống kính phẳng, ví dụ như ống kính Fresnel đã có mặt từ hàng thập kỷ nay. Nhưng chúng vẫn rất khó chế tạo.

Khả năng hội tụ ánh sáng trên siêu ống kính mới.

Tiến bộ quan trọng với những siêu ống kính này là chúng có thể được chế tạo theo cùng một cách với các microchip, vì vậy, chúng có thể được sản xuất hàng loạt với các vết khắc có bước sóng ngắn trên bề mặt. She và đồng nghiệp có thể chế tạo hàng chục ống kính như vậy trên một tấm silica duy nhất. Mỗi ống kính này có độ dày chưa đến một micromet (1/1000 mm), với đường kính khoảng 20mm và có tiêu cự ở 50mm.

She và đồng nghiệp cho biết. “Chúng tôi hình dung về một sự chuyển tiếp trong quá trình sản xuất, từ việc sử dụng máy móc hay các khuôn quang học sang kỹ thuật quang khắc litho theo mô hình quang học, nơi chúng có thể được sản xuất hàng loạt với quy mô và độ chính xác tương tự như các chip IC.”

Và họ có thể làm vậy với công nghệ chế tạo chip đã có tuổi đời hơn một thập kỷ nay. Điều này sẽ mang lại cho các nhà máy chế tạo chip cũ một nguồn sống mới. “Các thiết bị hiện đại sẽ rất hữu ích, nhưng nó có thể không cần thiết.” She và đồng nghiệp cho biết.

Các metalens - siêu ống kính - có thể tạo ra những bức ảnh chất lượng cao.

Các siêu ống kính sẽ có phạm vi ứng dụng rất rộng. Rõ ràng nhất là trong ngành nhiếp ảnh. Các ống kính phẳng sẽ làm hệ thống chụp ảnh trở nên mỏng hơn và đơn giản hơn. Nhưng quan trọng hơn, khi các siêu ống kính này có thể chế tạo trên cùng quy trình với các bộ phận cảm biến ánh sáng, chúng sẽ trở nên rẻ hơn.

Vì vậy các camera cho smartphone, laptop và hệ thống hình ảnh thực tế tăng cường cũng được hưởng lợi từ việc này, khi chúng trở nên nhỏ hơn và có chi phí chế tạo thấp hơn. Thậm chí chúng còn có thể được in lên đầu sợi quang học để hoạt động giống như những chiếc đèn nội soi.

Các nhà thiên văn cũng có thể có lợi từ việc này. Các ống kính này nhẹ và mỏng hơn đáng kể so với những chiếc kính viễn vọng khổng lồ đang được phóng lên quỹ đạo như Kính viễn vọng Không gian Hubble để các trạm quan sát có thể sử dụng. Với những ống kính mới, một thế hệ các nhà thiên văn và các nhà quan sát Trái Đất đang sẵn sàng chào đón.

Nhưng trong bản thân ngành chế tạo chip, công nghệ này còn có thể có tác động lớn hơn nữa. Kỹ thuật này cho phép xây dựng nên các hệ thống quang học phức tạp bên trong các con chip để xử lý quang học.

Và vẫn còn có nhiều tiến bộ hơn nữa đang chờ đón các siêu ống kính mới này. Một khả năng khác là thay đổi các đặc tính của siêu ống kính theo thời gian thực bằng cách sử dụng điện trường. Điều đó làm gia tăng triển vọng xây dựng nên các ống kính có khả năng thay đổi tiêu cự bằng điện áp – hay quan trọng hơn, giúp chuyển đổi nguồn sáng.

Tham khảo Technologyreview

/