提起透鏡，很多人都不陌生。無論是我們平常戴的眼睛，還是拍照攝像用的鏡頭，亦或老年人用的放大鏡，它們都屬于透鏡。但是，這些透鏡不是凹透鏡，就是凸透鏡。又有誰聽說過平面透鏡呢?
而就在近日，美國哥倫比亞大學(xué)華人學(xué)者虞南方領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊研制出一種厚度只有1微米的超薄平面透鏡，有望大幅降低光學(xué)器件的尺寸和重量。
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平面透鏡上分布著很多“超像素”
日常生活中，我們用到的透鏡都是球面透鏡，一般由光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體、光學(xué)樹脂等光學(xué)材料制作而成。它利用光學(xué)折射原理，采用不同材料、不同球面以及不同空間位置，來實現(xiàn)對光線的控制。
而光又分為單色光和復(fù)色光，簡單地說，單色光就是一種顏色的光，復(fù)色光(比如太陽光)則是由多種顏色的光混合而成。
由于不同顏色的光通過不同介質(zhì)和結(jié)構(gòu)時速度不一樣，因此復(fù)色光通過棱鏡會分解成單色光，這種現(xiàn)象被稱為光的色散。雨后出現(xiàn)的彩虹就是太陽光沿著一定角度射入空氣中的水滴后，由折射和反射造成的一種比較復(fù)雜的色散現(xiàn)象。
由于這種現(xiàn)象的存在，普通透鏡就無法同時聚焦不同顏色的光，進而發(fā)生色差。目前大部分相機等成像系統(tǒng)都是通過堆疊多層透鏡來解決色差的問題，這就導(dǎo)致現(xiàn)在的攝像攝影器材不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且很笨重。
在解決這個問題上，虞南方團隊最新研制的超薄平面透鏡邁出了一大步。這種由“超像素”構(gòu)成的平面透鏡比普通紙張還要薄。
“虞南方團隊研制的超薄平面透鏡，并不是利用傳統(tǒng)光的折射原理，而是利用光在介質(zhì)傳播過程中的相位延遲，實現(xiàn)光的偏轉(zhuǎn)，這是一種衍射原理。該透鏡在平面上分布著很多‘超像素’，每個‘超像素’的尺寸只有0.5微米左右，小于光的波長，并具有不同的相位延遲量。因為延遲量的分布經(jīng)過精心設(shè)計，所以可將傳遞到該超薄透鏡的平行光會聚到同一焦點，實現(xiàn)傳統(tǒng)透鏡的功能。目前他們團隊可以讓1.2—1.7微米波長的近紅外光達到很好的聚焦效果。”北京理工大學(xué)光電學(xué)院副教授胡搖告訴科技日報記者。
最關(guān)鍵是解決色差問題
超薄平面透鏡使用半導(dǎo)體制造工藝加工，首次實現(xiàn)將擁有任何偏振態(tài)的各色光波聚焦于一點，其成像性能可與一流的復(fù)雜透鏡系統(tǒng)相提并論。
與傳統(tǒng)透鏡的加工需要經(jīng)過選材、切削、粗磨、精磨、拋光、檢測等工藝流程不同，這種超薄平面透鏡是采用光刻技術(shù)進行加工的，這是一套完全不同的工藝流程。
胡搖表示，加工超薄平面透鏡采用的光刻技術(shù)目前常用于芯片加工。該技術(shù)當(dāng)前只能在平面上進行光刻加工，但是也因為光刻技術(shù)的相對成熟，該方法可較快轉(zhuǎn)換應(yīng)用。實際上，使用光刻工藝制作能實現(xiàn)透鏡基本功能的器件并不難，此次研究的重點是解決不同顏色的光成像不一致的問題，也就是所謂色差問題。這個色差會極大影響復(fù)色光成像效果，如日常陽光或燈光照明時的效果，如果使用激光等單色光源照明是不需要解決色差問題的。色差問題的解決使該技術(shù)向?qū)嵱没~進了一大步。
與此同時，“該研究實現(xiàn)的是紅外波段的成像，在論文項目資助列表里也有軍方項目，因此可以猜測研究人員是考慮了軍事上更輕、更薄、更穩(wěn)定的應(yīng)用需求的。”胡搖說。
在她看來，科學(xué)家們一直都在致力于讓透鏡變得更薄，并且在這條道路上開辟出多個研究方向。她介紹，菲涅爾透鏡是很早便存在的將透鏡變得更薄的方法，并廣泛應(yīng)用于日常生活中，如手機的閃光燈。所謂菲涅爾透鏡又稱螺紋透鏡，它的鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，通過將數(shù)個獨立的截面安裝在一個框架上從而制作出更輕更薄的透鏡;采用非球面、自由曲面也可以降低球面鏡組的整體光學(xué)長度，用一片實現(xiàn)多片的功能，提高成像質(zhì)量的同時減小光學(xué)系統(tǒng)的重量;采用衍射元件實現(xiàn)透鏡的效果，如衍射光柵、計算全息圖以及該團隊研發(fā)的超薄透鏡;此外，已經(jīng)有基于計算成像的、無需透鏡的衍射成像技術(shù)在顯微成像等領(lǐng)域得到應(yīng)用。(實習(xí)記者 陸成寬)
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