光学新突破：新镜头有望比头发丝还小
随着现代人对于摄像工具的需求不断增加，并越来越追求小型化，近期，澳洲与德国科学家们开发了一种全新的多层超颖透镜（超透镜）设计，预计彻底改变整个手机、无人机和卫星等设备的光学系统，使其变得更加小型和便捷。
近期，德国耶拿大学（Friedrich Schiller University Jena）与澳洲大学（ANU）变革性元光学系统卓越中心（TMOS）组成的研究团队，突破障碍成功开发出一种新型多层惠更斯（Huygens）“超颖透镜”。目前这项设计研究结果发表在《光学快报》上。
由于“超颖透镜”（Meta Lens）属于一种新型平面镜片，表面大量排列比头发丝还微小的柱状结构。该结构又被称为“超原子”，能够精准地控制光线的方向和速度，达到聚焦成像的效果。因此它被视为下一代的光学解决方案，代替传统体积大、重量重的镜片折射聚焦成像。
这次，他们透过“逆向设计演算法”成功优化每一层超颖透镜上的超原子形状，让每层超颖透镜达到各司其职，以提升超颖透镜参数的自由度。这包括为同颜色的光线设计专属通道，让其它不需要的光可以直接通过，以减少光线的干扰。
这种巧妙的设计，使整个超颖透镜能够同时处理多种不同波长的光，且之间不会互相干扰，实现了多波长聚焦。整体就像一个管弦乐队里面有不同的乐器，它们能够演奏自己的旋律，却不影响整体演奏，显示出谐和的模样。
该团队在优化过程中，发现超原子形状涵盖了圆角的正方形、四叶草，甚至还有螺旋桨状。这些微小的结构高约300奈米（nm）、宽1000nm，能实现全方位的完整光相位变化，让研究人员能够精准地控制光线，实现各种复杂的聚焦模式。
研究团队设计出一个在2000nm和2340nm波长（红外线）下运行的超颖透镜，直径125微米左右（µm）。数值孔径（NA）为0.11。模拟测试显示，该超颖透镜实现了接近绕射极限，绝对聚焦效率分别达到65%和56%。
该结果与相同尺寸和数值孔径的理想透镜相比，相当于拥有76%和65%相对聚焦效率，足以达到完整成像和多方面应用。
研究人员表示，此方法的一个关键优势在于，各层被设计为在远场（波动绕射的一种）内间隔一段距离，使得多层设计对于每一层错位具有高度的容忍度。因此，非常适合当前的大面积奈米制造技术，且每层都可以单独制造，能简单地封装在最终装置中，达到扩展实际应用的目标。
他们还表示，未来将进行更多研究，并考虑多个超原子相互作用和更大的操作角度，进一步提高超颖透镜的孔径数目和成像效率。预计该技术将被用于彩色路由器（用于光分离）、涡旋光束（用于光学操纵）、双螺旋点扩散函数（用于超解析度显微镜）和其它光学仪器上。
该设计的论文第一作者、ANU的博士生约书亚‧乔丹（Joshua Jordaan）对该校的新闻社表示，采用多层超材料设计的超颖透镜，可以同时聚焦来自非偏振光源和大直径波长光，并克服了超颖透镜过去的局限性。
乔丹接着说，“由于它的纵横比很低，每一层都可以单独制作和封装在一起，并且对偏振不敏感，因此它容易制造，可透过成熟的半导体奈米制造平台进行扩展，且能实际运用到设备上。”
他解释，研究小组最初尝试用单层材料聚焦多个波长，但遇到了一些限制。“事实证明，单层超表面本身具有物理限制。这为整个超颖透镜的数值孔径、物理直径和工作频宽的乘积设定了上限。”
他补充表示，“为了在我们需要的波长范围内工作，单层就必须具有非常小的直径，但这违背我们最初设计的目的。如果使用非常低的数值孔径，就几乎根本无法聚焦光线。那时我们意识到需要一个更复杂的结构，最终选用多层方法。”
乔丹还表示，“这次设计的超颖透镜，远比传统的玻璃镜体积和重量要小，因此非常适合用于无人机或地球观测卫星上”，将为未来的便携式成像系统带来福音。
拿着橙色拍立得相机的女性游客在海边拍照。(Shutterstock)