背景

透鏡是一種基礎光學元件，在日常生活中被廣泛應用，例如相機、眼鏡、顯微鏡等。傳統透鏡對於不同波長的光線具有不同的折射率，因此無法將各種顏色的光線聚焦到同一點上，從而產生色差，導致圖像失真。

爲了解決色差的問題，傳統的成像系統將多個不同厚度和材質的曲面透鏡疊加在一起。但是，這種解決方案卻是以增加系統複雜度和重量爲代價的。

（圖片來源：蘋果公司）

然而，一種新型透鏡可以解決上述問題，這就是超透鏡。超透鏡具有扁平表面，能利用納米結構聚光讓入射光投射到期望的地方。超透鏡輕薄小巧，功能大大超越傳統透鏡。作爲光學領域的一項革命性技術，它有望徹底顛覆傳統光學系統中繁瑣的透鏡組，使得手機、相機、監控攝像頭等產品都變得更小、更薄、更輕。

平面超透鏡（圖片來源：參考資料【2】）

下圖展示了兩種平面透鏡。前景部分，一種新型平面透鏡將所有顏色的光線聚焦於同一點。作爲對比，背景部分的平面鏡頭無法進行顏色校正。

（圖片來源：哥倫比亞大學）

創新

近日，美國西北大學的科研團隊開發出一種由金屬納米顆粒和聚合物組成的光學元件。有朝一日，它將取代傳統的折射透鏡，實現便攜式的成像系統和光電子器件。這種多功能的平面透鏡是超透鏡，厚度不足人類髮絲寬度的百分之一。相關論文最近發表在《ACS Nano》期刊上。

（圖片來源：參考資料【3】）

技術

超透鏡的特性取決於如何合理設計納米單元的排列組合。超透鏡已成爲平面透鏡的一個非常引人注目的選擇，但目前卻受制於它們靜態的製備特性以及複雜昂貴的製造工藝。

然而，對於縮放和聚焦等成像操作來說，大多數超透鏡無法在沒有物理運動的情況下調整焦點。溫伯格藝術與科學學院化學系教授、這項研究的領導者 Teri W. Odom 表示，一個主要原因就是這些透鏡的構建模塊是由堅硬的材料組成，這些材料一旦製成就無法改變形狀。在任何材料系統中，調整納米尺度的特徵，從而在超透鏡中獲取可調諧的聚焦，都是非常困難的。

西北大學納米技術國際研究所成員 Odom 表示：“在這項研究中，我們演示了一種多功能成像平臺，它是基於銀納米顆粒製成的完全可重新配置的超透鏡。在單次成像過程中，我們的超透鏡設備可以從單焦點透鏡演變成多焦點透鏡，多焦點透鏡可以在任意可編程的三維位置形成多幅圖像。”

（圖片來源：美國西北大學）

西北大學團隊通過圓柱形銀納米顆粒陣列以及位於金屬陣列之上形成塊狀圖案的聚合物層，構建出了他們的透鏡。通過簡單地控制聚合物圖案的排列，納米顆粒陣列能引導可見光到達任何目標焦點，而無需改變納米顆粒的結構。

這種可伸縮的方法使得不同的透鏡結構可以通過一步擦寫製成，在多次擦寫循環之後，不會帶來明顯的納米特徵退化。這項技術可以使用由彈性體制成的軟掩膜，將任何預製的聚合物圖案重新變爲任何期望的圖案。

價值

Odom 表示：“這種小型化技術以及與探測器的整合，有望爲從小型廣角攝像頭到微型內窺鏡的一系列設備帶來高分辨成像。”

關鍵字

攝像頭、超透鏡、成像技術

參考資料

【1】https://news.northwestern.edu/stories/2019/03/tiny-optical-elements-could-one-day-replace-traditional-refractive-lenses/

【2】Teun-Teun Kim, Hyunjun Kim, Mitchell Kenney, Hyun Sung Park, Hyeon-Don Kim, Bumki Min, Shuang Zhang. Amplitude Modulation of Anomalously Refracted Terahertz Waves with Gated-Graphene Metasurfaces. Advanced Optical Materials, 2017; 1700507 DOI: 10.1002/adom.201700507

【3】http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.9b00651