Tokyo Üniversitesi’nden araştırmacılar ve JSR Corp. standart yarı iletken üretim ekipmanı kullanarak düz Fresnel lensler yapmak için bir yöntem geliştirdi. Bu teknoloji, optik cihazların imalat maliyetini önemli ölçüde basitleştirebilir ve azaltabilir.
Çalışma sonuçları, yarı iletken endüstrisinde standart bir ekipman parçası olan geleneksel bir step motor kullanılarak imalatın yapılabilirliğini göstermektedir. Bu yöntem, karmaşık ve pahalı nanolitografi gerektiren metayüzeylerin üretilmesine yönelik geleneksel yöntemlere kıyasla düz mercek üretme maliyetini büyük ölçüde basitleştirir ve azaltır.
“Geleneksel bir yarı iletken litografi sistemi veya step motor kullanarak basit ve seri bir üretim yöntemi geliştirdik. Bu, orijinal olarak renk filtreleri olarak kullanılmak üzere geliştirilen, renk direnci adı verilen özel bir fotodirenç türü ile mümkün olmaktadır. Bu malzemeyi basitçe kaplayarak, açığa çıkararak ve geliştirerek, görünür ışığı yalnızca 1,1 mikrona odaklayabilen, yani insan saçından yaklaşık 100 kat daha ince olan lensler yarattık” diye açıkladı Foton Bilimi ve Teknolojisi Enstitüsü’nden Doçent Kuniaki Konishi.
Renk direnci, orijinal olarak renk filtreleri olarak kullanılmak üzere geliştirilmiş, ışığa duyarlı bir malzemedir (görünür ışığın belirli dalga boylarını korumak için emici bir madde içeren, UV ile kürlenebilen bir reçine).
Üretim süreci üç temel adımdan oluşur. İlk olarak cam alt tabakaya renkli bir direnç uygulanır ve üç tip kullanılır: kırmızı (RED-101), yeşil (JSSG-9135) ve mavi (BLUE-105). Her direnç türü, ışığı belirli bir aralıkta emer ve bu da farklı dalga boylarında çalışan genlik lensleri oluşturmayı mümkün kılar. Rezistörün ultraviyole radyasyona maruz kalmamış kürlenmemiş kısımları alkalin bir geliştirici içinde çözülebilir, bu da emme özelliklerine sahip alt mikro yapıların oluşmasına olanak tanır. Daha sonra 365 nm dalga boyunda UV ışığına maruz bırakılır. Son olarak, plakanın yapısını oluşturan, maruz kalmayan alanların kaldırıldığı geliştirme gerçekleştirilir.
Araştırmacılar, 8 inçlik bir alt tabaka üzerinde çeşitli boyutlardaki lensleri başarıyla ürettiler. Gösterim için 3,0 mm (kırmızı direnç), 4,5 mm (yeşil direnç) ve 3,7 mm (mavi direnç) çapındaki lensler seçildi.
Mavi dirençli merceğin 550 nm’de odaklanma verimliliği %0,8 hatayla %7,2 idi. Bu değer, yarı maksimumda (FWHM) üç ışın genişliğine eşit bir alana odaklanan ışığın gücünün ölçülmesiyle deneysel olarak elde edildi. Sayısal simülasyonlar, monokromatik ışık kullanıldığında nominal lens odaklama verimliliğinin %10,9’a ulaşabileceğini göstermiştir.
Araştırmacılar ayrıca deneysel sonuçlarla iyi eşleşen simülasyonlar da geliştirdiler. Konishi, “Bu, tasarımları üretime geçmeden önce tıp gibi farklı alanlardaki belirli uygulamalara uyacak şekilde uyarlayabileceğimiz anlamına geliyor” dedi. Bu yaklaşım, tıp, astronomi ve tüketici elektroniği gibi çeşitli alanlardaki spesifik uygulamalar için tasarımların optimize edilmesine olanak tanır.
Çalışmada elde edilen odaklanmış ışık noktasının minimum boyutu 1,1 μm’dir. Bu değer, mavi renk direncinden yapılmış düz bir Fresnel lens kullanılarak ışığın 550 nm dalga boyunda odaklanmasıyla elde edildi. Bu boyut, mercek üretimi sırasında elde edilen minimum çizgi genişliğiyle hemen hemen aynıdır; bu, üretim sürecinin çözünürlüğü ile ortaya çıkan merceğin optik performansı arasında doğrudan bir ilişki olduğunu gösterir.
Yeni teknolojinin geleneksel üretim yöntemlerine göre birçok avantajı var. Yöntemin uygulanması kolay olduğundan ve seri üretime uyarlanabildiğinden basit ve ölçeklenebilirdir. Üretim maliyetlerini azaltan standart fotolitografi ekipmanının kullanılmasıyla maliyet etkinliği elde edilir. Proses aynı zamanda çevre dostudur, zehirli aşındırma kimyasallarına olan ihtiyacı ortadan kaldırır ve enerji tüketimini önemli ölçüde azaltır. Ek olarak, deneysel sonuçlar düz Fresnel lenslerin üretiminde yüksek hassasiyeti ortaya koyuyor ve bu da bu yöntemin güvenilirliğini ve verimliliğini doğruluyor.
Yeni lenslerin performansı, üretimdeki geleneksel lenslere göre hâlâ düşük olsa da, çeşitli endüstrilerdeki optikleri değiştirme konusunda önemli bir potansiyele sahipler.
“Mevcut dezavantaj, gürültülü görüntülere yol açan düşük ışık toplama verimliliğidir. Ancak ekibimiz halihazırda renk dirençlerinin kullanım şeklini değiştirerek bunu dört katına çıkarmanın yolları üzerinde çalışıyor. Bu, fiziksel özellikler üzerinde çalışma sırasında elimizde olandan daha fazla kontrol gerektirecektir” dedi Konishi.
Bu tür lenslerin ultra ince akıllı telefonlar gibi tüketici elektroniklerinde yer alması biraz zaman alabilir, ancak bu teknoloji veya türevlerinin yakın gelecekte pazara girme potansiyeli var.
