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我是平板透透透透透透透透透透镜!
发布时间:2019-03-16 15:47:21 编辑: 阅读次数:2305

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Capasso及小组成员对平板透镜进行介绍

 

2016年6月,哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院的Federico Capasso团队在Science上刊发文章“Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging《可见光波段的超级透镜:衍射极限聚焦和亚波长分辨率成像》,报道了一种可将图像放大170倍,且图像质量与当前世界上最先进的光学成像系统相当的极薄的透镜。

Capasso团队的文章在2016年6月3日登上Science封面

自此,Metalenses——“超级透镜”,也即“平板透镜”便进入了我们的视野。这种登上Science封面的透镜为何会吸引众多科研人的关注?两年间它又经历了怎样的发展?至今热度不减的它又会为未来的光学领域带来哪些改变?现在,麓帮主便带大家一探究竟。【后台回复“透镜”,获取平板透镜相关文献列表】

 

习以为常的,未必是最好

 

在曲面透镜发展日臻完善的背景下,透镜的影子在生活中随处可见——用笔记本电脑完成一次远程视频会议,或用相机拍摄记录生活的点滴……

透镜的应用无疑为我们带来了更佳的生活体验,然而在满足的同时,却很少有人去思考——现有的透镜真的是最好的选择吗?就没有什么可以再改进的吗?

 

毕竟,当年固定电话为我们带来通讯的便利时,人们从未想过之后移动电话的普及;而当人们用老式移动电话随时随地保持联系时,也未料到如今智能手机功能的丰富多彩。

 

于是,对现状保持质疑并勇于探索创新的重任便交到了(一直都是)科研人的身上。

Federico Capasso教授

“光学器件和透镜无处不在,它们存在于笔记本电脑、相机、望远镜中,” Federico Capasso在谈及平板透镜研究的初衷时说到,“它们应用便利、效果良好,以至于我们逐渐忘记了传统透镜本身存在的一些缺陷和问题。因此,我们才专注于平板透镜的研究。”

 

习以为常的,未必是最好的。正是这样不断追求进步的理念,带动了平板透镜的问世。

 

所以,传统透镜有何局限性?

 

自19世纪以来,曲面透镜就已经出现。透镜的种类繁多、用途广泛:凸透镜可以用来制作放大镜、老花镜、投影机、开普勒望远镜;凹透镜可以用来制作近视镜;两者结合可制成门镜、伽利略望远镜……

这些透镜大多都是将玻璃或其他材料研磨成粗糙的弯曲形状,后经过抛光而得到的,它们通过对光线的折射发挥其作用。但在单片透镜中,不同颜色的光折射率和传播速度是不同的,它们无法在同一时间到达同一位置。透镜因此不能将不同波长的光聚焦于一点,导致图像模糊,即出现了色像差(chromatic aberrations)。

在成像、显微分析、光谱分析中,为了得到清晰的图像,如亚波长分辨率成像(subwavelength resolution imaging),透镜厂商需要将众多不同厚度和材料的曲面透镜堆叠成复杂的光学系统来得到高数值孔径(numerical aperture,NA)的透镜,其中每个独立透镜都要精确加工到一定的曲率并进行对齐,任何曲率偏差和组装过程中任何失误都会降低镜头的性能。

Capasso在接受采访时表示,若想用单一透镜将不同波长的光聚焦于某个相同的点而不出现色像差,需要集成6到7个透镜,比如手机上的相机。 

虽然这样能使波长范围内的光线集中到恰当的位置,但透镜结构复杂、不易集成、加工成本高的问题也随之出现。因此,对可见光波段高数值孔径单一透镜的需求广泛而迫切,这一需求即便可以通过衍射部件实现,其数值孔径与效率仍无法满足实际应用的标准。

 

这时,平板透镜的出现,可谓是“开启了新世界大门”。

 

那么,平板透镜到底是什么

 

如前面内容中所描述的,平板透镜有着较小的体积,它比纸还要薄,是一种透射介质超材料透镜。它由毫米厚的普通平板玻璃片上高深宽比的二氧化钛纳米立柱阵列构成。每个纳米立柱结构单元的位置、相位和透镜的焦深之间均需要满足特定的关系。根据光线通过超透镜的位置与透镜中心的距离,透镜上的纳米结构由外缘到中心将以不同的角度来弯曲光线:距离中心越远,弯曲角度越大。这样将使得所有的光线都聚焦在相同的位置。

A-E.超级透镜设计示意图

G.超级镜头的光学照片

H.超级镜头的SEM图像

 

Capasso小组所得的透镜的数值孔径高达0.8。且实验表明,该平板透镜对405, 532与660 nm波长的光在衍射极限的聚焦效率分别达到了86, 73与66%。它能对亚波长尺度间距的纳米颗粒进行较高分辨率成像,并提供放大倍数为170×的高质量图像,有望用于基于激光的成像,显微分析与光谱分析。

直径为2μm,焦距为0.725 mm的超透镜成像(532 nm入射光)。

“高数值孔径意味着可以将光线聚焦到一个直径小于光波长的点上,”Capasso实验室的博后Mohammadreza Khorasaninejad博士说,“聚焦光线的能力越强,得到图像的分辨率就会越高。”

 这项技术的革命性在于它可在可见光谱范围内工作,这意味着它有可能取代当今各种设备中的镜头。同时,所使用的二氧化钛是一种广泛使用的工业材料,制备容易,价格低廉,制作方法采用了电子束光刻(electron beam lithography)和原子层沉积(atomic layer deposition)。这使得超级透镜不仅是停留在实验室中的高科技,还是一项能够真正改变光学领域的革命性突破。

而在近两年间,科学家们对超级透镜的多方面研究接踵而来,如用超级透镜观测和分析目标分子手性、研究出液体浸入式显微镜平板透镜等。除了超级透镜在各个方向的应用探索外,针对超级透镜本身所作出的最大的突破,莫过于把不同颜色的光聚焦于同一点了。

之前的研究表明纳米结构的平板透镜可以聚焦一种特定颜色的光,与传统曲面透镜达到了相同的效果。但研究遇到了与传统透镜所面临的相同的瓶颈——不同的颜色是聚焦于不同位置的。

而在最新的研究中,Capasso团队设计了一种更复杂的纳米结构,它们依然按照离中心越远对光的弯曲角度越大的方式进行设计,但同时添加了一些纳米立柱:其中部分立柱可以使光线传输更快,被置于透镜边缘;另一些使光线传输更慢,被置于透镜中部区域。通过对不同波长的光速度的调整,它们最终可以被聚焦于同一点。这样的纳米结构,可以进一步根据应用的要求进行调整,支持定制化设计。

纳米超级透镜的影响

 

综上,这种新型的平板透镜有着长足的优势掀起一场光学领域的革命:

 

它数值孔径高、成像质量好,可满足多领域应用的“高标准严要求”;

它外观小巧、体积轻薄,可使众多光学设备更加灵活便携;

它制造工序简易、原料廉价易得,支持量产,可免除传统透镜复杂的加工和高成本困扰。

当平板透镜无色像差高分辨率成像能够拓展到整个可见光波段时,当平板透镜的生产乃至量产技术日臻完善时,我们定不难看到它在多种方向的大显神威:可以应用于 VR 头显或 AR 眼镜,使设备轻便图像清晰;可以用于替代智能手机和笔记本电脑上昂贵的磨砂玻璃摄像头透镜;还有可穿戴设备、科研设备……

平板透镜的制造采用了当今的电子产品制造业中标准的计算机芯片制造技术

 

“相机的制造主要是镜头,还有传感器两部分。传感器由专门生产集成芯片的厂商制造,镜头则是由不同的厂商以截然不同的技术方法生产的”Capasso教授说,“他们不会想到,在未来,制作传感器的公司居然同样能生产平板镜头,这是十分有趣的。”

https://v.qq.com/x/page/h03058vsn9p.html

 


Science对超级透镜的视频介绍 

目前,Capasso与三个合作伙伴已经成立了名为Metalens的公司,致力于将无需消色差的透镜投入应用,如安全摄像机、生物识别、身份验证和面部识别等。他们希望在2019年开始投入生产。Capasso表示,最终他会倾向于生产基于Capasso小组创造的平板透镜的宽带商用镜头。

 

【后台回复“透镜”,获取平板透镜相关文献列表】

引用:

1. http://doi.org/10.1126/science.aaf6644

2. https://www.photonics.com/a63628/p6/v159/i1038/Capasso_Group_Develops_Flat_Lenses_with_Same

 

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