从超构表面到超构透镜，揭秘镜头的变革之路！

撰稿 | 鲜辉（中科院物构所 博士生）

透镜是一种基础光学元件，在日常生活中被广泛应用，例如相机、眼镜、显微镜等。传统透镜对于不同波长的光线具有不同的折射率，因此无法将各种颜色的光线聚焦到同一点上，从而产生色差，导致图像失真。

将整个可见光谱和白光聚焦是十分具有挑战性的，因为不同波长的光在材料中移动的速度是不一样的。比如，红光会比蓝光更快的穿过玻璃。当两种光在不同时间到达同一位置时，就产生了两个不同的焦点。我们称这一现象为色差。

为了解决色差的问题，传统的成像系统将多个不同厚度和材质的曲面透镜叠加在一起。再薄、再紧凑则会导致图像失真和不清晰，这也是为什么大功率显微镜和长焦镜头会由于透镜不可打破的物理规则，厂商们已经把镜头做的那么大的原因。但是，这种解决方案却是以增加系统复杂度和重量为代价的。

图源：网络

然而，一种新型透镜可以解决上述问题，这就是超构透镜metalens。超构透镜具有纳米结构的扁平表面，即超构表面metasurface，能利用纳米结构聚光让入射光投射到期望的地方。

超构透镜轻薄小巧，功能大大超越传统透镜，是一种利用纳米结构聚光进而达到避免色差出现的平面，即超构表面。

与传统透镜相比，被称为超构表面的光学纳米材料平面透镜重量大大降低。当超构表面的亚波长纳米结构形成特定的重复模式时能模拟折射光线的复杂曲率，没有传统透镜笨重，且在减少畸变的情况下聚焦光线的能力得以改善。

作为光学领域的一项革命性技术，它有望彻底颠覆传统光学系统中繁琐的透镜组，使得手机、相机、监控摄像头等产品都变得更小、更薄、更轻。

图源：Advanced Optical Materials (2017)

超构表面作为一种独特的光子技术能够以空前的规模精确操纵光的波阵面从而产生许多有趣而奇特的光学现象，激发了研究人员在平面光学领域的广泛研究兴趣。

通过光与纳米尺度排列的偏原子的局部相互作用，提供对穿过结构化平面的波前的相位，幅度和偏振态的控制。利用当前的制造技术，可以对相位，幅度和偏振态进行工程设计，从而可以对散射场进行局部控制，并模制光流以创建自然材料无法比拟的光学效果。与传统的折射光学元件相比，这项技术已显示出有望实现形式-功能关系的根本改变。

图源：Columbia University

500多年来，人类已经掌握了将玻璃做成透镜使光线发生折射，然后弯曲或组合这些透镜，使近距离和远距离图像放大以及变清晰的光学成像技术。然而在过去近十年的时间内，哈佛大学的科学家Federico Capasso【 拓展链接】开创了平面光学研究领域，并在2014年首先发表了关于超构透镜的研究。

紧接着，Capasso在2016带领研究团队提出了超构透镜技术，这种表面覆盖纳米柱的新型透镜的厚度能够做到比普通镜片薄10万倍，并且拥有易生产、成本低等优势。

研究团队通过设计平面光学超构表面来取代传统透镜，并利用数百万个细微的、薄而透明的石英柱阵列来衍射和塑造光线的流动。这与玻璃透镜的方式大致相同，但却不像玻璃那样与生俱来地受\"像差\"的制约。

超构透镜使用纳米结构聚焦光的平坦表面，通过用简单，平坦的表面来取代目前在光学器件中广泛使用的庞大的弯曲透镜实现光学革命。该技术在被评为2016年Science的最佳发现之一。

这项技术先后在2019年被世界经济论坛（WEF）、科学美国人（SciAm）评为十大新兴技术之一。

它表明这些越来越小、越来越清晰的透镜很快就会出现在照相手机、传感器、光纤线路以及诸如内窥镜之类的医学成像设备中。世界经济论坛如此评价：“使手机、计算机以及其他电子设备使用的镜头变小，已超出了传统的玻璃切割和玻璃弯曲技术的能力……这些细微、薄而扁平的透镜可以代替现有的笨重的玻璃透镜，并可以使传感器和医学成像设备进一步小型化。”

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