超表面透镜技术新突破：快速绘制各种光学效果图案，解决高挑战性光学设计

我们大多数人都知道光学透镜是一种曲面透明塑料或玻璃，而显微镜，眼镜和相机等设备都通过它们来聚焦光线。在大部分情况下，透镜的曲面形状自数个世纪前的诞生日以来就没有发生过太大的变化。

但在过去十年间，工程师已经开出一种名为“超表面”的超薄材料。超表面可以实现远远超过传统曲面透镜的光线技术。工程师以比人类发丝小数百倍的宽度来蚀刻每一个纹理，从而形成特定的图案，并使得整个表面能够非常精确地散射光线。但挑战在于：确切地知道产生所需光学效果所需的图案。

这正是麻省理工学院的数学家希望解决的问题。团队日前在《Optics Express 》发布了关于一种全新计算技术的研究：其可以快速确定超表面的数百万个微纹理的理想组成与排列，从而生成一种以特定方式操纵光线的平面透镜。

原来的研究主要是将可能的图案限制为预定形状的组合，如具有不同半径的圆形孔，但这种方法仅代表潜在图案的冰山一角。

这项新技术首次为大尺寸光学表面设计出完全任意的图案（尺寸为1平方厘米。考虑到每个单独的序列不超过20纳米宽，这已经属于一个相对较大的面积）。麻省理工学院的数学系教授Steven Johnson指出，所述的计算技术可以快速绘制出一系列光学效果所需的图案。

他解释说：“假设你希望一种透镜能够支持多种不同的颜色，或者你希望光线能够形成光束或某种全息图或光镊，而非聚焦于一点。你可以告诉我们你的需求，然后这项技术就可以提供所需的图案。”

除了Johnson之外，论文作者包括Zin Lin, Raphal Pestourie和Victor Liu。

1. 逐像素

一个超表面通常分为纳米尺寸的像素。你可以对每个像素进行蚀刻或不作任何处理。蚀刻的像素可以组合成任何数量的不同图案。