未来,你的眼镜或许比纸还薄
第二看台
提起透镜,很多人都不陌生。无论是我们平常戴的眼睛,还是拍照摄像用的镜头,亦或老年人用的放大镜,它们都属于透镜。但是,这些透镜不是凹透镜,就是凸透镜。又有谁听说过平面透镜呢?
而就在近日,美国哥伦比亚大学华人学者虞南方领导的研究团队研制出一种厚度只有1微米的超薄平面透镜,有望大幅降低光学器件的尺寸和重量。
平面透镜上分布着很多超像素
日常生活中,我们用到的透镜都是球面透镜,一般由光学玻璃、光学晶体、光学树脂等光学材料制作而成。它利用光学折射原理,采用不同材料、不同球面以及不同空间位置,来实现对光线的控制。
而光又分为单色光和复色光,简单地说,单色光就是一种颜色的光,复色光(比如太阳光)则是由多种颜色的光混合而成。
由于不同颜色的光通过不同介质和结构时速度不一样,因此复色光通过棱镜会分解成单色光,这种现象被称为光的色散。雨后出现的彩虹就是太阳光沿着一定角度射入空气中的水滴后,由折射和反射造成的一种比较复杂的色散现象。
由于这种现象的存在,普通透镜就无法同时聚焦不同颜色的光,进而发生色差。目前大部分相机等成像系统都是通过堆叠多层透镜来解决色差的问题,这就导致现在的摄像摄影器材不仅结构复杂而且很笨重。
在解决这个问题上,虞南方团队最新研制的超薄平面透镜迈出了一大步。这种由超像素构成的平面透镜比普通纸张还要薄。
虞南方团队研制的超薄平面透镜,并不是利用传统光的折射原理,而是利用光在介质传播过程中的相位延迟,实现光的偏转,这是一种衍射原理。该透镜在平面上分布着很多‘超像素’,每个‘超像素’的尺寸只有0.5微米左右,小于光的波长,并具有不同的相位延迟量。因为延迟量的分布经过精心设计,所以可将传递到该超薄透镜的平行光会聚到同一焦点,实现传统透镜的功能。目前他们团队可以让1.2—1.7微米波长的近红外光达到很好的聚焦效果。北京理工大学光电学院副教授胡摇告诉科技日报记者。
最关键是解决色差问题
超薄平面透镜使用半导体制造工艺加工,首次实现将拥有任何偏振态的各色光波聚焦于一点,其成像性能可与一流的复杂透镜系统相提并论。
与传统透镜的加工需要经过选材、切削、粗磨、精磨、抛光、检测等工艺流程不同,这种超薄平面透镜是采用光刻技术进行加工的,这是一套完全不同的工艺流程。
胡摇表示,加工超薄平面透镜采用的光刻技术目前常用于芯片加工。该技术当前只能在平面上进行光刻加工,但是也因为光刻技术的相对成熟,该方法可较快转换应用。实际上,使用光刻工艺制作能实现透镜基本功能的器件并不难,此次研究的重点是解决不同颜色的光成像不一致的问题,也就是所谓色差问题。这个色差会极大影响复色光成像效果,如日常阳光或灯光照明时的效果,如果使用激光等单色光源照明是不需要解决色差问题的。色差问题的解决使该技术向实用化迈进了一大步。
与此同时,该研究实现的是红外波段的成像,在论文项目资助列表里也有军方项目,因此可以猜测研究人员是考虑了军事上更轻、更薄、更稳定的应用需求的。胡摇说。
在她看来,科学家们一直都在致力于让透镜变得更薄,并且在这条道路上开辟出多个研究方向。她介绍,菲涅尔透镜是很早便存在的将透镜变得更薄的方法,并广泛应用于日常生活中,如手机的闪光灯。所谓菲涅尔透镜又称螺纹透镜,它的镜片表面一面为光面,另一面刻录了由小到大的同心圆,通过将数个独立的截面安装在一个框架上从而制作出更轻更薄的透镜;采用非球面、自由曲面也可以降低球面镜组的整体光学长度,用一片实现多片的功能,提高成像质量的同时减小光学系统的重量;采用衍射元件实现透镜的效果,如衍射光栅、计算全息图以及该团队研发的超薄透镜;此外,已经有基于计算成像的、无需透镜的衍射成像技术在显微成像等领域得到应用。
