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光学新突破:新镜头有望比头发丝还小

发布时间: 2025-10-29 16:06:58    最后更新: 2026-10-05 20:37:31    阅读:163  约5 分钟阅读     

【中国观察北京时间2025年10月23日讯】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。

尽管超颖透镜潜力巨大,但存在一些问题需要克服。包括无法像人类肉眼或传统相机一样处理不同颜色的光,只能处理单一颜色光(波长),也对光的偏振敏感,容易产生杂光影响成像。此外,超颖透镜上的超原子制造较为困难,只要层与层之间稍有偏差就会影响成像品质。

这次,他们透过“逆向设计算法”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。

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