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眼镜片薄如纸手机镜头凸变平…… 平面透镜“瘦身”后这都不是事

发布时间:2019-05-20 20:55 来源:未知 编辑:admin

  薄如纸张的眼镜片、不凸起的手机镜头、微型医学成像工具……华人领导的研究团队近日研制出一种只有1微米厚的超薄平面透镜,有望大幅降低光学器件的尺寸和重量。未来,用上了“比纸薄的平面透镜”,我们的生活会有怎样的变化?记者特邀南大、南工大等高校的老师做了解读。

  美国哥伦比亚大学应用物理学副教授虞南方团队新近发表在《光:科学及应用》杂志上的报告显示,这种由“超像素”构成的平面透镜比普通纸张还要薄。这些像素均小于光的波长,能不同程度延迟光波通过透镜的时长,从而实现传统透镜的功能。

  不同颜色的光通过不同介质和结构时速度不一样,因此复色光通过棱镜会分解成单色光,这种现象被称为光的色散。研究团队采用具有复杂纳米结构的“超像素”,使用半导体制造工艺,首次实现可将拥有任何偏振态的各色光波聚焦于一点的平面透镜,其成像性能可与一流的复杂透镜系统相当。

  研究人员说,这种平面透镜可依托类似制造电脑芯片的晶圆代工方式大规模生产。他们希望这种轻薄的平面透镜能替代厚重的传统透镜,就像早年平面彩电取代显像管电视机那样。             新华社

  使用手机时,很多人都会抱怨手机的拍照镜头位置为啥会凸出一块,要是镜头能“瘦身”,和手机的后盖“融为一体”,该多好啊!同样的问题还有相机,专业级的镜头重量俨然一个“小哑铃”。“比纸还薄的平面透镜”的出现,未来有望解决这一问题。南京工业大学王雨淋老师介绍,“比纸薄的平面透镜”如果应用于手机镜头,镜头将会更加轻便。应用到相机镜头中,镜头也会更小,更薄,“哑铃健身”一般的负重效果将大大减轻。

  “瘦身”后的平面透镜,如果能够应用于手机,拍照效果是否也会更上一层楼?南京大学教授、微纳光学领域专家李涛表示,按目前的水平,平面透镜拍照还不会更加清晰。传统透镜主要分为凸透镜和凹透镜,可以用于光学成像或者视力矫正等。这些传统透镜功能是通过光学折射来获得,需要光在镜头内部有一定的传播距离,通常都由曲面形状来改变光折射方向。就像人们佩戴的眼镜,度数越高镜片就越厚。然而,当前发展的超构透镜(也称超透镜)技术是基于光学共振和衍射的原理,只需要微米厚度的平面结构就可以调控光折射方向,从而实现透镜成像、分光、甚至全息等功能。不过,它目前在成像质量以及成像范围等方面还存在不足。目前很多科学家正努力改进其性能。

  同样拍一个大红色的物体,很有可能A拍出的效果是正红色,B拍出来就是玫红色。生活中的我们在拍照时,没少遇到这样的色差问题。假如用上了“比纸薄的平面透镜”,今后拍照是不是再也没有色差的问题了?

  李涛教授表示,理解这个问题之前,先要知道“色差”到底是怎样导致的。传统镜头的色差来源于材料折射率的色散效应。就是说,在不同的波长下透镜材料的折射率会不一样,这就导致不同颜色的光会聚焦在不同的位置,这样成像位置也会偏差导致成像模糊。“其实,当前的手机镜头为了避免色差已经对镜头进行了消色差处理,通常的方法是叠加多个镜头,通过凸凹透镜的组合来对色差进行矫正。因此,不同品牌的手机都不应该存在色差问题。不同镜头拍摄颜色稍有不同是因为成像系统色温定标不一样造成的,而并非色差。”

  李涛解释,透镜组的消色差方案是以牺牲成像系统的集成度为代价的,它使得器件会变大变厚,不利于手机等便携设备。比如,手机就不能获得单反相机那样长焦距高倍数成像。超薄型“超构透镜”的出现,为解决这一问题提供了可能性。“如果不考虑镜头尺寸和成像效率。当前报道的成果以及之前报道的我国南京大学、美国哈佛大学、加州理工学院的技术都是可以获得消色差的成像的。但若要达到千万像素分辨力,90%以上高效率等性能指标,目前还具有挑战性。随着研究的继续深入,终究会有全新的解决方案。”

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