从超构表面到超构透镜，揭秘镜头的变革之路！(4)

在这个设计中，研究人员建立了配对纳米膜，用来同时控制不同波长光的速度。

配对纳米膜可以控制超构表面上的折射率，同时通过将两个纳米膜结合成一个元素，来协调不同时间延迟的光线通过不同的纳米膜，确保所有波长的光同时到达焦点。他们通过使用一组二氧化钛纳米纤维来均匀聚焦不同波长的光线并消除色差，而不用像传统镜头那样需要叠加多个不同曲度和厚度的镜片才能将整个可见光光谱聚焦于一点。

图5 超透镜消色差原理及可见波段聚焦成像

图源：Nature Nanotechnology (2018)13:220–226( Fig.1, Fig.4 )

Capasso表示：“超构透镜要优于传统透镜。超构透镜较薄，易于制造且成本效益高。该突破将这些优势扩展到了整个可见光领域。这是下一个大的进展。”

该论文的第一作者Wei Ting Chen表示：“在设计无色差的宽波段透镜时，最大的挑战之一就是要确保超构透镜各点输出的波长同时到达焦点。我们通过将两个纳米薄膜结合为一个元件，这样可以调整纳米结构材料中的光速，以确保使用一个单一的超透镜就可以将可见光中的所有波长都聚焦在同一个点上，相对于复合的标准消色差透镜来说，这大大减少了透镜的厚度和设计的复杂度。”

共同作者之一Alexander Zhu说：“使用我们的消色差透镜，我们可以进行高质量的白光成像，这使我们向将它们整合到相机等常见光学设备中的目标又迈进了一步。”

相比较于传统镜片，超构透镜的优势是十分明显。它更薄，易于制造而且成本效益更高。其最佳用途自然是在头戴式设备，由于复杂的镜片设计，头戴式往往十分沉重，无法长时间佩戴，而将超构透镜应用在VR、AR等上，那将大大减轻头戴式设备的重量。

这项研究的第一作者Wei Ting Chen说：“尽管技术仍处于起步阶段，但使用变焦镜头拍摄的图像质量可能会超过传统镜头拍摄的质量。而且，由于它们的尺寸小，设计不那么复杂，因此比曲面透镜更容易批量生产。”

制造这种超构透镜的关键在于表面处理。二氧化钛薄膜阵列用于聚焦光波长，通过调整这些薄膜的高度、形状、宽度、距离以及重新配对达到控制折射率的目的。这样，就能在同一时间让所有光的波长在同一时间到达眼球。

团队下一个要迎接的巨大挑战是如何将人类眼睛能看到的全波长配对起来以及如何加大超构透镜的大小。

研究人员指出，对于后者，这种镜片直径需要达到10mm左右才行，这将引出一系列新的可能性，例如在虚拟和增强现实中的应用。哈佛大学技术开发办公室（OTD）已经保护了与这个项目有关的知识产权，并已经将这一项目授权给了一家初创公司，想必未来这种技术的商用非常可行。

2020年 | 新型超构透镜：超构表面+液晶

近日，哈佛大学Capasso教授与美国凯斯西储大学Giuseppe Strangi教授以及意大利卡拉布里亚大学的研究人员合作，将纳米结构超构表面与液晶技术结合起来，将超构透镜的研究又推进了一步——使它们变得“可重构”而更加有用，这有望革新光学技术。

Strangi表示：“他们通过利用纳米力使液晶在这些微柱之间浸润，从而使微柱以全新的方式塑造和衍射光线，“调节”聚焦力来做到这一点。”这一突破性成果于今年8月初以“Optical properties of metasurfaces infiltrated with liquid crystals”为题发表在顶级期刊PNAS上。

图源：Case Western Reserve University

液晶具备可以对其进行热、电、磁或光学等操作的优势，这样有望带来“柔性”或“可重构”的透镜。

Strangi表示：“从16世纪开始我们就知道这项技术，我们相信它有望革新光学。到目前为止，一旦玻璃透镜被塑造成刚性曲面，就只能以一种方式弯曲光线，除非与其他透镜组合或者通过物理方式移动它。”

超构透镜改变了这一点，因为它允许通过控制光线的相位、幅度和偏振来设计波阵面。

然而，大多数工程化的超构表面具有规定的几何形状，该几何形状已设计成可实现单个功能即没有可修改的光学响应，缺乏对其光学特性的动态控制，并且限于无源光学元件。这对可能需要不同光学响应的潜在应用构成了障碍。通过施加外部刺激来实现光学材料可重构性的机会一直是光子学的长期目标。

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