通过使用透明硅实现超薄元透镜，并具备量产的可能性之门已经被打开。元透镜是将传统体积大、重量重的光学元件用纳米结构重新设计，从而可以制造超薄、超轻量镜头的下一代光学系统，正受到关注。
韩国研究财团20日表示，浦项工科大学 Noh Junseok 教授研究团队实现了一种在整个可见光波段同时满足低光损失和高折射率的硅基薄膜材料，并将其应用于元透镜和波长分离分束器，提出了克服可见光元光学局限性的基础方案。
波长分离分束器是按照波长（颜色）将入射光分离的传统光学元件。近年来，研究界正探索将其与元透镜技术结合，以实现更加清晰的全彩色图像。
尤其是，元光学器件被视为有望减薄智能手机厚度的超薄相机，以及眼镜形态的超轻量增强现实·虚拟现实（AR/VR）眼镜等产品的核心部件。
然而，在可见光波段中兼具低光损失和高折射率的薄膜材料十分稀缺，高效率元光学结构的实现和大规模量产因此受到限制。例如，硅虽然折射率高，适合用于元光学，但在可见光波段会大量吸收光线，难以加以利用。
对此，研究团队通过设计在整个可见光波段内既透明又具有高折射率的硅基薄膜材料工艺，解决了既有难题。这是利用等离子体能量的等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺，在材料设计阶段精确调控硅薄膜内部键合结构的结果。
PECVD是一种利用等离子体能量代替热能，在基板上沉积薄膜的制膜工艺。本次研究中，该工艺被用于在硅基板上堆叠硅薄膜层，以构建元透镜的纳米结构。
通过调节工艺条件和添加物质，研究团队一方面实现了在可见光波段光损失较小的非晶硅薄膜（a-Si:H），另一方面设计出掺入氧元素的硅薄膜氧化物（a-SiOx:H），从而获得可根据波长执行不同功能的材料，这一点发挥了关键作用。
将通过上述工艺开发出的两种硅薄膜实际应用于元光学器件并对其性能进行验证后，在可见光元透镜及波长分离分束器中均证明了其高效率和高功能性。
利用透明硅薄膜制作的元透镜，在可见光主要波段（450/532/635纳米，即蓝光/绿光/红光）分别实现了66.3%、92.0%、97.0%的高转换效率，证明了有可能实现将能量损失最小化的全彩色元透镜。
此外，研究团队利用硅薄膜氧化物强色散特性，实现了这样一种元器件波长分离分束器：能够将红光（635纳米）导向特定方向，而让蓝光（450纳米）直接透过。
Noh 教授表示：“本次研究克服了‘硅难以用于可见光元透镜’的限制，同时提出了以硅薄膜为基础的两大关键材料平台，凭借与硅基工艺的高度兼容性，展示了大面积制造和量产的可能性，具有重要意义。”
另外，本研究由科学技术信息通信部和韩国研究财团推进的中坚研究支持项目资助完成。研究成果（论文）近期发表于国际学术期刊《Science Advances》在线版。
版权所有 © 阿视亚经济 (www.asiae.co.kr)。 未经许可不得转载。
