聚焦光学透镜在镜头中的应用

文章来源: 人气:1365 更新时间:2021-01-03

近日,来自哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院的科学家团队开发出了首个可以聚焦整个可见光光谱(包括白光)的单镜头,该镜头能将光线聚焦到同一个点,并可以达到高分辨率。在传统的镜头中,只有叠加多个镜头才能实现这种效果。

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  背景

  超颖材料(metamaterial),又称为超材料,是指通过人工设计结构实现,具有天然材料无法具备的超常物理特性的复合材料。例如,超材料可以操纵光、声、热的波 ,实现传统材料无法实现的功能。典型的超材料有:左手材料、光子晶体、超磁性材料 、金属水等。超材料呈现出的超常物理特性包括:负磁导率、负介电常数、负折射率等等。

  作为一项具有颠覆性意义的尖端前沿技术,超材料的应用领域包括:光纤、医疗设备、航空航天、传感器、基础设施监控、智能太阳能管理、雷达罩、雷达天线、声学隐身技术、废热利用、太赫兹、微电子、吸波材料、全息技术等等。

  2011年左右,科学家开始进一步研究超表面。超表面(metasurface)是由具有特殊电磁属性的人工原子按照一定的排列方式组成的二维平面结构,可实现对入射光的振幅,相位,偏振等灵活的调控,具有强大的光场操控能力,因此受到人们的广泛关注,并逐渐成为一个热门研究方向。

  例如,利用超表面控制光线的传播方向,将产生一种有趣的物理现象:令人难以置信的“隐形斗篷效果”,光波会绕过物体,就像流水绕过石头一样。

  因为超表面强大的光场操控能力,同时又是一种极薄的超材料,因此它可以制作成超薄的平面超透镜(Metalenses)。

  为了让使大家容易理解超透镜,我们先从普通的数码相机的镜头说起。普通镜头一般是由一组独立的透镜构成,它们沿着一条共同的轴排列。这么多不同形状和尺寸的透镜组合,目的就是为了减少像差,形成无视觉缺陷、完整而清晰的图像。但是,这样导致镜头透镜的数目变多了,镜头的厚度也增加了。

  然而,超透镜最大优点就是轻薄和小型化,其厚度是纳米级的。此外,超透镜的功能远远超过传统透镜,一片超透镜就可以取代相机中的透镜组,两三片超透镜就可以实现可辨识焦距的镜头。因此,超透镜有望彻底颠覆传统光学设备中使用的笨重、繁琐的镜头组,采用一个简单的平面镜头取而代之,使得手机、相机 、监控摄像头都变得很小,甚至薄如一张纸。

 

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