从超构表面到超构透镜，揭秘镜头的变革之路！(3)

亚波长分辨成像一般需要高数值孔径（NA）镜头，但这种镜头又大又贵。而超构表面允许将常规折射光学器件小型化为平面结构，因此高纵横比的二氧化钛亚表面可以被设计和制造为NA = 0.8的超构透镜。

Capasso研究团队在405、532和660nm的波长处证明了衍射极限的聚焦，相应的效率为86％，73％和66％。

超构透镜可以分辨被亚波长距离分隔的纳米级特征，并提供高达170倍的放大倍率，其图像质量可与最先进的商业目标相媲美，此外超构透镜还可以广泛应用于基于激光的显微镜、成像和光谱学。

图4 超透镜与Niko镜头可见光衍射极限对比及成像

图源：science (2016) 352 (6290): 1190–1194 ( Fig.2, Fig.4 )

同年，该技术被science评为2016年度十大重大科技突破之一。并被这样评论道：“玻璃透镜是人类最早期的高科技发明之一。它们让伽利略能够看得到木星的卫星，让列文虎克观察微生物，让数以百万计的人可以更清楚地看这个世界。但今天的透镜还在以与几个世纪之前同样的粗糙方式在生产，通过打磨和抛光玻璃以及其他透明材料使其聚光且不产生色差。现在，透镜技术正在向前迈进一大步。研究人员利用计算机芯片—模式技术制作了首批超级材料透镜或超构透镜，它们能够聚焦整个可见光光谱。因为超构透镜制造价格低廉，比纸更薄，而且比玻璃轻得多，它们将为从显微镜到虚拟设备、相机（包括智能手机的相机镜头）等领域带来一场革命。”

2018年 | 无色差超构透镜进军AR/VR领域

图源：三星 VR

虽然现代AR和VR头显设备在体积和重量上都有所减小，但由于光学技术原因又使得这项工作变得困难。头显所用的镜片需要聚焦整个可见光谱和白光，但每个光的波长不一样，于是这个问题就变得棘手。

哈佛大学研究人员John A. Paulson认为他们已经找到了解决这一难题的办法，即使用超构透镜并首次被发现能够处理整个可见光范围。

不过，在2016年时，这项技术还有一个巨大的，也是最难的挑战。那就是修正色度色散——不同波长的光集中在不同距离的镜头的现象，也就是可以将不同的光集中在一起，却可以不在一样的距离。为此，研究人员在metasurfaces的基础上，优化了纳米柱的形状、宽度、距离和高度。

研究团队使用二氧化钛创造的纳米级的平滑和高宽比纳米结构构成了该超构透镜的心脏。并以此设计了2D纳米级金属天线阵列——超构表面利用平面上无数的小光学元件达到折射的目的。

超构表面的设计让超构透镜具有了高数值孔径，这意味着它可以把光聚焦在比波长更小的地方约400nm。聚焦的光越紧密、焦点越小，图像的分辨率也就越高。在这样的尺度下，超构透镜能够提供比任何一个国家的艺术商业镜头更好的焦点。

Capasso研究团队在2018年开发出了首个可以将整个可见光谱（包括白光）以高分辨率聚焦在同一个点上的单一透镜。这在传统透镜中只能通过叠加来实现。该项突破性研究以题为“A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible”发表在Nature Nanotechnology上。

它使用了二氧化钛纳米薄膜组来平均聚焦光的波长并消除色差，用简单扁平的表面来取代目前光学器件中使用的庞大弯曲透镜势必将引发一场光学革命。

图源：Harvard University

聚焦整个可见光谱和白光（所有光谱颜色的组合）非常具有挑战性，因为每个波长都会以不同的速度穿过材料。所以两种颜色将不能同时到达相同的位置的这种差异导致了焦点不同，并产生了被称为色差的图像失真。相机和光学仪器使用了不同厚度和材料的多个曲面透镜来校正这些色差，当然这也加大了设备的体积。

图源：Harvard University

超构透镜是一个单平面透镜，相比于16年只能收集从红到蓝的可见光光谱，新的超构透镜可以将整个可见光光谱（包括白光）集中在同一位置，并在高分辨率下聚焦。这在传统的镜片上是通过堆叠多个镜片来实现的。同时，超构透镜还有一个巨大的优势。正常的镜片必须用手精确抛光，而且任何装配中发生的误差都会使透镜的性能下降。而超构透镜只需要一个单一的步骤——一层光刻就可以了。这样就简单的获得了一个高性能的镜头。

文章来源：《中国表面工程》 网址: http://www.zgbmgc.cn/zonghexinwen/2020/1103/336.html