수세기 동안 우주를 바라보는 우리의 시각은 굴절된 빛에 의존해 왔습니다. 갈릴레오는 곡면 렌즈로 이를 달성하여 이전에는 상상할 수 없었던 방식으로 우주를 열었습니다. 이후 천문학자들이 곡면 거울을 사용한 대형 망원경을 개발하여 훨씬 더 큰 장비를 사용할 수 있게 되었지만 부피가 큰 곡면으로 빛을 굴절시키는 근본적인 의존도는 여전히 남아 있었습니다. 이러한 전통적인 광학 기기는 배율이 높아질수록 점점 더 무겁고 다루기 어려워져 매우 멀고 희미한 물체를 관측하는 대규모 천문학이나 항공 및 우주 기반 이미징과 같이 공간과 무게가 중요한 애플리케이션에 심각한 문제를 야기했습니다. 발사 비용이 많이 들고 1그램이 중요한 우주 플랫폼에서는 무게를 줄이는 것이 필수적입니다. 이제 플랫 렌즈가 유망한 대안으로 떠오르고 있습니다.
최근 유타대학교의 존 앤 마르시아 프라이스 공과대학 연구진은 400~800nm 파장 범위에 최적화된 직경 100mm, 두께 2.4μm, 초점 거리 200mm의 다층 회절 렌즈(MDL)를 Applied Physics Letters에 소개했습니다. 이 렌즈는 우주 기반 이미징을 위한 가볍고 비용 효율적인 솔루션을 제공하여 잠재적으로 우주를 관찰하는 방식을 변화시킬 수 있습니다.
일상적인 카메라와 뒷마당 망원경의 경우 렌즈 두께는 큰 문제가 되지 않습니다. 하지만 망원경이 수백만 광년 떨어진 은하계의 빛에 초점을 맞춰야 하는 경우 렌즈의 두께는 실용적이지 않습니다. 그래서 천문대 및 우주 기반 망원경은 동일한 빛의 굴절 효과를 얻기 위해 거대한 곡면 거울을 대신 사용합니다. 거울은 더 얇고 가벼울 수 있지만 이미지 왜곡이 발생할 수 있습니다. 회절 렌즈가 대안이 될 수 있지만, 두꺼운 곡면이 아닌 동심원의 융기를 사용하여 빛을 집중시키는 프레넬 영역 플레이트(FZP)와 같은 초기 평면 설계는 색수차가 발생합니다. 이는 융기가 다양한 각도에서 서로 다른 파장의 가시광선을 회절시켜 트루 컬러 이미징을 방해하기 때문에 발생합니다.
이와 달리 이 새로운 다단계 굴절 렌즈(MDL)는 혁신적인 무채색 초점 설계를 활용하여 모든 파장이 한 지점에 수렴하여 무지개와 같은 프린지 없이 정확한 트루 컬러 이미지를 제공합니다. 이 렌즈의 제작에는 역설계와 그레이 스케일 리소그래피가 활용됩니다. 역설계 프로세스는 유리 기판의 구조화된 포토레지스트에 정밀하게 제어된 1만 개의 동심원 링을 에칭하여 복잡한 미세 구조를 최적화하고, 그레이스케일 리소그래피는 링 높이를 미세하게 제어할 수 있게 해줍니다. 제작은 Heidelberg Instruments의 매우 정확하고 다재다능한 DWL 66+ 레이저 리소그래피 툴을 사용하여 수행되어 필요한 정밀도를 보장합니다.
유타대학교 광학 나노기술 연구소 소장인 라제시 메논 교수가 이끄는 연구팀은 달, 태양, 지상 장면의 세밀한 이미지를 캡처하며 렌즈를 광범위하게 테스트했습니다. 이 렌즈는 달의 지질학적 특징과 태양 흑점과 같은 세밀한 부분까지 해상도가 높아 천체 사진 촬영을 크게 발전시킬 수 있는 잠재력을 보여주었습니다.
망원경 광학 장치의 무게와 크기를 줄임으로써 MDL과 같은 평면 렌즈는 더 간단하고 비용 효율적인 공중 및 우주 기반 관측소를 가능하게 하여 우주를 더 선명하게 볼 수 있는 길을 열어주고 다른 분야에도 영향을 미칠 수 있습니다.
