革命性超薄“超透鏡”器件實現(xiàn)全彩色成像
不同顏色的光以不同的速度在不同的材料和結(jié)構(gòu)中傳播。這就是為什么我們看到白光在通過棱鏡折射后分裂成它的組成顏色，這種現(xiàn)象叫做色散。由于色散，普通透鏡不能將不同顏色的光聚焦到單個光斑。這意味著不同顏色從不同時聚焦，因此由這種簡單的透鏡形成的圖像不可避免地會模糊。傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)通過堆疊多個透鏡來解決這個問題，但是這種解決方案是以增加復雜性和重量為代價的。 u{3KV6MS
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哥倫比亞工程學院的研究人員已經(jīng)發(fā)明了第一種平板透鏡，它能夠?qū)⑷我馄竦拇蠓秶伾_地聚焦到同一焦點上，而不需要任何附加元件。這種透鏡只有微米厚，他們革命性的“平面”透鏡比一張紙還要薄得多，并提供了與頂級復合透鏡系統(tǒng)相比的性能。由應用物理學副教授Nanfang Yu領導的研究小組在今天出版的《光：科學與應用Light: Science & Applications》雜志上發(fā)表了這項最新的研究成果。 P0z "Eq0S
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上圖的頂部：掃描的電子顯微切片的寬帶元透鏡截面。它們由在玻璃襯底上圖案化的具有不同橫截面形狀的硅納米柱組成。下面的兩幅圖：顯示兩個元素的多元素元透鏡成像系統(tǒng)。圖片來源：哥倫比亞工程學院。 qkBnEPWZy
傳統(tǒng)透鏡的工作原理是通過將落在透鏡上的所有光通過不同的路徑路由，使得整個光波同時到達焦點。它是通過增加從透鏡邊緣到中心的光的延遲量來制造的。這就是為什么傳統(tǒng)透鏡在其中心比邊緣更厚的原因。 RV($G8U
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為了發(fā)明更薄、更輕、更便宜的鏡頭，Yu的團隊采取了不同的方法。利用他們在光學“超表面”——工程化的二維結(jié)構(gòu)——方面的專長來控制自由空間中的光傳播，研究人員建造了由像素或“超原子”構(gòu)成的平面透鏡。每個超原子的大小只是光的波長的一小部分，并以不同的數(shù)量延遲通過它的光。在像人頭發(fā)一樣薄的襯底上圖案化非常薄的平坦納米結(jié)構(gòu)層，研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)與更厚和更重的傳統(tǒng)透鏡系統(tǒng)相同的功能。展望未來，他們預計，與平板電視取代陰極射線管電視的方式相比，元透鏡可以取代笨重的透鏡系統(tǒng)。 >eEf|tKO
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上圖說明兩種平面透鏡之間的比較。在前面的那個，是一種新型的平面透鏡，可以將所有顏色的光聚焦到同一點。作為對比，背景中的平面透鏡沒有顏色校正。圖片來源：哥倫比亞工程學院。 XSxya .1
Yu說：“我們扁平透鏡的美妙之處在于，通過使用形狀復雜的亞原子，它不僅為單色光提供了正確的延遲分布，而且為連續(xù)光譜光提供了正確的延遲分布。而且因為它們很薄，所以它們有可能大大減小用于成像的任何光學儀器或設備（如照相機、顯微鏡、望遠鏡，甚至我們的眼鏡）的尺寸和重量。想想看，一副厚度比一張紙還薄的眼鏡，不凸出的智能手機相機，無人駕駛汽車和無人駕駛飛機的成像和傳感系統(tǒng)的薄片，以及用于醫(yī)學成像應用的小型工具�！� PAc~p8S
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Yu的團隊使用標準的二維平面制造技術制造了超透鏡，類似于用于制造計算機芯片的技術。他們說，大規(guī)模制造超透鏡的過程應該比制造計算機芯片簡單得多，因為他們只需要定義一層納米結(jié)構(gòu)——相比之下，現(xiàn)代計算機芯片需要許多層，有些甚至多達100層。平面元透鏡的優(yōu)點在于，與傳統(tǒng)透鏡不同，它們不需要經(jīng)過昂貴和耗時的研磨和拋光過程。 /0\pPc*kA{
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“我們的平板鏡片的生產(chǎn)可以大規(guī)模地并行，生產(chǎn)出大量高性能和廉價的鏡片，”Yu的研究小組博士生Sajan Shrestha指出，他是這項研究的共同第一作者�！耙虼�，我們可以把我們的透鏡設計送到半導體鑄造廠進行大規(guī)模生產(chǎn)，并從該行業(yè)固有的規(guī)模經(jīng)濟中獲益。” UbYKiLDF)
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由于平面透鏡可以將波長范圍在1.2-1.7微米的近紅外光聚焦到同一焦斑，所以它可以在近紅外波段形成“彩色”圖像，因為所有的顏色同時聚焦，這對彩色攝影來說是必不可少的。該透鏡可以聚焦任何任意偏振狀態(tài)的光，因此它不僅在實驗室環(huán)境中工作，其中偏振可以很好地控制，而且在實際應用中，環(huán)境光具有隨機偏振。它也適用于透射光，便于集成到光學系統(tǒng)中。 $`5DGy
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