革命性超薄“超透镜”器件实现全彩色成像

不同颜色的光以不同的速度在不同的材料和结构中传播。这就是为什么我们看到白光在通过棱镜折射后分裂成它的组成颜色，这种现象叫做色散。由于色散，普通透镜不能将不同颜色的光聚焦到单个光斑。这意味着不同颜色从不同时聚焦，因此由这种简单的透镜形成的图像不可避免地会模糊。传统的成像系统通过堆叠多个透镜来解决这个问题，但是这种解决方案是以增加复杂性和重量为代价的。 cv{icz,%w  
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哥伦比亚工程学院的研究人员已经发明了第一种平板透镜，它能够将任意偏振的大范围颜色正确地聚焦到同一焦点上，而不需要任何附加元件。这种透镜只有微米厚，他们革命性的“平面”透镜比一张纸还要薄得多，并提供了与顶级复合透镜系统相比的性能。由应用物理学副教授Nanfang Yu领导的研究小组在今天出版的《光：科学与应用Light: Science & Applications》杂志上发表了这项最新的研究成果。 ; Sd== *  
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传统透镜的工作原理是通过将落在透镜上的所有光通过不同的路径路由，使得整个光波同时到达焦点。它是通过增加从透镜边缘到中心的光的延迟量来制造的。这就是为什么传统透镜在其中心比边缘更厚的原因。 ;tJ}*!z W  
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为了发明更薄、更轻、更便宜的镜头，Yu的团队采取了不同的方法。利用他们在光学“超表面”——工程化的二维结构——方面的专长来控制自由空间中的光传播，研究人员建造了由像素或“超原子”构成的平面透镜。每个超原子的大小只是光的波长的一小部分，并以不同的数量延迟通过它的光。在像人头发一样薄的衬底上图案化非常薄的平坦纳米结构层，研究人员能够实现与更厚和更重的传统透镜系统相同的功能。展望未来，他们预计，与平板电视取代阴极射线管电视的方式相比，元透镜可以取代笨重的透镜系统。 I[6ft_*  
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Yu说：“我们扁平透镜的美妙之处在于，通过使用形状复杂的亚原子，它不仅为单色光提供了正确的延迟分布，而且为连续光谱光提供了正确的延迟分布。而且因为它们很薄，所以它们有可能大大减小用于成像的任何光学仪器或设备（如照相机、显微镜、望远镜，甚至我们的眼镜）的尺寸和重量。想想看，一副厚度比一张纸还薄的眼镜，不凸出的智能手机相机，无人驾驶汽车和无人驾驶飞机的成像和传感系统的薄片，以及用于医学成像应用的小型工具。”
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Yu的团队使用标准的二维平面制造技术制造了超透镜，类似于用于制造计算机芯片的技术。他们说，大规模制造超透镜的过程应该比制造计算机芯片简单得多，因为他们只需要定义一层纳米结构——相比之下，现代计算机芯片需要许多层，有些甚至多达100层。平面元透镜的优点在于，与传统透镜不同，它们不需要经过昂贵和耗时的研磨和抛光过程。 zv-9z  
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“我们的平板镜片的生产可以大规模地并行，生产出大量高性能和廉价的镜片，”Yu的研究小组博士生Sajan Shrestha指出，他是这项研究的共同第一作者。“因此，我们可以把我们的透镜设计送到半导体铸造厂进行大规模生产，并从该行业固有的规模经济中获益。” O:]e4r,'  
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由于平面透镜可以将波长范围在1.2-1.7微米的近红外光聚焦到同一焦斑，所以它可以在近红外波段形成“彩色”图像，因为所有的颜色同时聚焦，这对彩色摄影来说是必不可少的。该透镜可以聚焦任何任意偏振状态的光，因此它不仅在实验室环境中工作，其中偏振可以很好地控制，而且在实际应用中，环境光具有随机偏振。它也适用于透射光，便于集成到光学系统中。 b$
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“我们的设计算法在将界面雕刻成二进制图案时耗尽了所有的自由度，因此，我们的平面透镜能够达到接近单个纳米结构界面可能达到的理论极限的性能，”该研究的另一个合作者亚当·奥维格（Adam Overvig）说，他也是Yu的一位博士生。“事实上，我们已经演示了几个具有最佳理论上可能的组合特征的平面透镜：对于给定的元透镜直径，我们已经在最大波长范围内获得了最紧的焦斑。” aBd>.]l?  
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宾夕法尼亚大学教授Nader Engheta是纳米光子学和超材料方面的专家，他本人没有参与这项研究，他说：“这是Nanfang Yu教授团队的一个优雅作品，在平面光学领域是一个令人兴奋的研究。这种消色差元透镜是超表面工程的最新技术，可以在包括成像、传感和紧凑型照相机技术的各种应用中为新的创新打开大门。” Ez/>3:;  
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现在，Yu和他的同事们制造的超透镜已经接近高质量成像透镜组的性能，而且重量和尺寸都小得多，团队还有另一个挑战：提高透镜的效率。平面透镜目前不是最佳的，因为入射光功率的一小部分要么被平面透镜反射，要么被散射到不需要的方向。团队乐观地认为效率问题不是根本性的，他们忙于发明新的设计策略来解决效率问题。他们还与工业界就进一步开发和许可技术进行商谈。 !C;$5(k  
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原文来源：https://phys.org/news/2018-10-revolutionary-ultra-thin-meta-lens-enables-full-color.html（实验帮译）