提起透鏡，很多人都不陌生。無(wú)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(shuí)聽(tīng)說(shuō)過(guò)平面透鏡呢?

而就在近日，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)華人學(xué)者虞南方領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)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。

圖片源自網(wǎng)絡(luò)

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(shù)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光線的控制。

而光又分為單色光和復(fù)色光，簡(jiǎn)單地說(shuō)，單色光就是一種顏色的光，復(fù)色光(比如太陽(yáng)光)則是由多種顏色的光混合而成。

由于不同顏色的光通過(guò)不同介質(zhì)和結(jié)構(gòu)時(shí)速度不一樣，因此復(fù)色光通過(guò)棱鏡會(huì)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(yáng)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(wú)法同時(shí)聚焦不同顏色的光，進(jìn)而發(fā)生色差。目前大部分相機(jī)等成像系統(tǒng)都是通過(guò)堆疊多層透鏡來(lái)解決色差的問(wèn)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(gè)問(wèn)題上，虞南方團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(guò)程中的相位延遲，實(shí)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(gè)‘超像素’的尺寸只有0.5微米左右，小于光的波長(zhǎng)，并具有不同的相位延遲量。因?yàn)檠舆t量的分布經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，所以可將傳遞到該超薄透鏡的平行光會(huì)聚到同一焦點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)透鏡的功能。目前他們團(tuán)隊(duì)可以讓1.2—1.7微米波長(zhǎng)的近紅外光達(dá)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?qǐng)?bào)記者。

最關(guān)鍵是解決色差問(wèn)題

超薄平面透鏡使用半導(dǎo)體制造工藝加工，首次實(shí)現(xiàn)將擁有任何偏振態(tài)的各色光波聚焦于一點(diǎn)，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(guò)選材、切削、粗磨、精磨、拋光、檢測(cè)等工藝流程不同，這種超薄平面透鏡是采用光刻技術(shù)進(jìn)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(jìn)行光刻加工，但是也因?yàn)楣饪碳夹g(shù)的相對(duì)成熟，該方法可較快轉(zhuǎn)換應(yīng)用。實(shí)際上，使用光刻工藝制作能實(shí)現(xiàn)透鏡基本功能的器件并不難，此次研究的重點(diǎn)是解決不同顏色的光成像不一致的問(wèn)題，也就是所謂色差問(wèn)題。這個(gè)色差會(huì)極大影響復(fù)色光成像效果，如日常陽(yáng)光或燈光照明時(shí)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(wèn)題的。色差問(wèn)題的解決使該技術(shù)向?qū)嵱没~進(jìn)了一大步。

與此同時(shí)，“該研究實(shí)現(xiàn)的是紅外波段的成像，在論文項(xiàng)目資助列表里也有軍方項(xiàng)目，因此可以猜測(cè)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(shuō)。

在她看來(lái)，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(kāi)辟出多個(gè)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(jī)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(guò)將數(shù)個(gè)獨(dú)立的截面安裝在一個(gè)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(zhǎng)度，用一片實(shí)現(xiàn)多片的功能，提高成像質(zhì)量的同時(shí)減小光學(xué)系統(tǒng)的重量;采用衍射元件實(shí)現(xiàn)透鏡的效果，如衍射光柵、計(jì)算全息圖以及該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的超薄透鏡;此外，已經(jīng)有基于計(jì)算成像的、無(wú)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(shí)習(xí)記者 陸成寬)