[論文レビュー] Wide Field-of-View, Large-Area Long-wave Infrared Silicon Metalenses

Hung‐I Lin, Jeffrey A. Geldmeier+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2023

Photonic and Optical DevicesEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、スケーラブルなフォトリソグラフィーおよびドリルドリアクティブアイタイプエッチングを用いて、浮き上るゾーンシリコンウェーハ上に作製された、広視野角（140°）、大面積（直径 >4 cm）の長波長赤外（LWIR、8–12 μm）メタルレンズを提示する。設計は単層メタサーフェスと亜砒酸亜鉛（ZnSe）スペーサーを用いて回折限界性能を達成し、コマ収差を最小限に抑えたモノクロマチックで広角の熱画像撮影を可能にし、大型でかさばる従来のLWIR光学系の実用的でコンactな代替手段を示している。

ABSTRACT

Long-wave infrared (LWIR, 8-12 $μm$ wavelengths) is a spectral band of vital importance to thermal imaging. Conventional LWIR optics made from single-crystalline Ge and chalcogenide glasses are bulky and fragile. The challenge is exacerbated for wide field-of-view (FOV) optics, which traditionally mandates multiple cascaded elements that severely add to complexity and cost. Here we designed and experimentally realized a LWIR metalens platform based on bulk Si wafers featuring 140$^\circ$ FOV. The metalenses, which have diameters exceeding 4 cm, were fabricated using a scalable wafer-level process involving photolithography and deep reactive ion etching. Using a metalens-integrated focal plane array, we further demonstrated wide-angle thermal imaging.

研究の動機と目的

• 従来の長波長赤外光学系が大型で、壊れやすく、高価であるという限界、特に広視野角（WFOV）用途において顕著であることを是正すること。
• WFOV LWIRシステムにおけるコマ収差と低光学スループットの課題を克服するため、単一素子のメタルレンズアーキテクチャを開発すること。
• 標準的なシリコンプロセス技術を用いて、大面積LWIRメタルレンズのスケーラブルなウェーハレベルでのプロセスを実現すること。
• 酸素関連吸収を低減するためのフロートゾーンシリコンを用いて、LWIR帯域で高い像質と効率を達成すること。
• メタルレンズ統合型フォーカルプレーンアレイを用いて、画像のステッチを最小限に抑え、高忠実度の広角熱画像撮影を実現すること。

提案手法

• 波面収差最小化の原則に基づき、特に像空間のテレセントリック挙動をターゲットにした解析的モデルを用いて、WFOVメタルレンズの設計を行い、位相プロファイルを導出する。
• 位相プロファイルを次の式で定式化した：φ(s) = (2π/λ) ∫₀ˢ [ -sinα(s) - (s-d)/√(f² + (s-d)²) ] ds。この式は主光線の角度依存性および焦点位置の依存性を考慮している。
• 9 μmにおける酸素不純物吸収を最小限に抑えるために、フロートゾーンシリコンウェーハ上にメタサーフェスをエンジニアリングし、LWIR帯域全体での透過率を向上させた。
• 2つの設計を実装した：1つは空気ギャップを有し、もう1つはZnSeスペーサーを有し、波面品質およびFOV性能を向上させた。
• 大面積フォトリソグラフィーと最適化されたドリルドリアクティブアイタイプエッチング（DRIE）を用いてメタルレンズをプロセスし、広帯域の位相カバレッジを実現する高アスペクト比ナノ構造を達成した。
• 10.6 μm CO₂レーザーと干渉計的波面センシングを用いて、点スプレッド関数（PSFs）およびモード変換関数（MTF）の実験的特性評価により、性能を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単層シリコンメタルレンズは、長波長赤外帯域で140°の視野角を達成しつつ、回折限界性能を維持できるか？
• RQ2 WFOVメタルレンズにおいて、ZnSeスペーサーを導入することで、空気ギャップと比較して波面品質および像質性能がどのように向上するか？
• RQ3 フロートゾーンシリコンウェーハは、大面積メタルレンズにおける効率的なLWIR透過を実現するために、酸素関連吸収をどの程度低減できるか？
• RQ4 メタルレンズ統合型フォーカルプレーンアレイは、画像ステッチを最小限に抑え、高忠実度の広角熱画像撮影を実現できるか？
• RQ5 従来の多素子複合レンズと比較して、WFOVメタルレンズシステムにおける光学的複雑性、スループット、像質性能のトレードオフはどのようなものか？

主な発見

• メタルレンズは140°の円形視野角を達成し、直径4 cmを超える大面積をカバーし、WFOV LWIR光学分野における顕著な前進を示した。
• ZnSeスペーサーを有するメタルレンズ設計は10.6 μmで回折限界性能を達成し、測定されたMTF値がシミュレーション予測と一致し、高い光学効率を確認した。
• さまざまな入射角における実験的PSF測定値は、シミュレーションと良好に一致し、全視野角にわたり解析的設計モデルの妥当性が検証された。
• マイクロボロメータと統合されたZnSeメタルレンズを用いて、穴あきカードの100°視野角の熱画像撮影が成功した。パターンの明瞭な解像度が得られた。
• センサの横方向移動と画像ステッチを組み合わせることで、大面積の画像平面を完全にカバーでき、単一のメタルレンズによる大面積画像撮影の可能性が確認された。
• フロートゾーンシリコンの使用により、9 μmにおける酸素吸収帯域が効果的に低減され、LWIR帯域全体で高い透過率が実現した。また、標準半導体プロセスとも相性が良かった。