不同顏色的光以不同的速度在不同的材料和結(jié)構(gòu)中傳播。這就是為什么我們看到白光在通過(guò)棱鏡折射后分裂成它的組成顏色，這種現(xiàn)象叫做色散。由于色散，普通透鏡不能將不同顏色的光聚焦到單個(gè)光斑。這意味著不同顏色從不同時(shí)聚焦，因此由這種簡(jiǎn)單的透鏡形成的圖像不可避免地會(huì)模糊。傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)通過(guò)堆疊多個(gè)透鏡來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但是這種解決方案是以增加復(fù)雜性和重量為代價(jià)的。 Qc-W2%  
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哥倫比亞工程學(xué)院的研究人員已經(jīng)發(fā)明了第一種平板透鏡，它能夠?qū)⑷我馄�振的大范圍顏色正確地聚焦到同一焦點(diǎn)上，而不需要任何附加元件。這種透鏡只有微米厚，他們革命性的“平面”透鏡比一張紙還要薄得多，并提供了與頂級(jí)復(fù)合透鏡系統(tǒng)相比的性能。由應(yīng)用物理學(xué)副教授Nanfang Yu領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在今天出版的《光：科學(xué)與應(yīng)用Light: Science & Applications》雜志上發(fā)表了這項(xiàng)最新的研究成果。 4cSs=|m?+  
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傳統(tǒng)透鏡的工作原理是通過(guò)將落在透鏡上的所有光通過(guò)不同的路徑路由，使得整個(gè)光波同時(shí)到達(dá)焦點(diǎn)。它是通過(guò)增加從透鏡邊緣到中心的光的延遲量來(lái)制造的。這就是為什么傳統(tǒng)透鏡在其中心比邊緣更厚的原因。 q`{@@[/(y  
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為了發(fā)明更薄、更輕、更便宜的鏡頭，Yu的團(tuán)隊(duì)采取了不同的方法。利用他們?cè)?span onclick="sendmsg('pw_ajax.php','action=relatetag&tagname=光學(xué)',this.id)" style="cursor:pointer;border-bottom: 1px solid #FA891B;" id="rlt_2">光學(xué)“超表面”——工程化的二維結(jié)構(gòu)——方面的專(zhuān)長(zhǎng)來(lái)控制自由空間中的光傳播，研究人員建造了由像素或“超原子”構(gòu)成的平面透鏡。每個(gè)超原子的大小只是光的波長(zhǎng)的一小部分，并以不同的數(shù)量延遲通過(guò)它的光。在像人頭發(fā)一樣薄的襯底上圖案化非常薄的平坦納米結(jié)構(gòu)層，研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)與更厚和更重的傳統(tǒng)透鏡系統(tǒng)相同的功能。展望未來(lái)，他們預(yù)計(jì)，與平板電視取代陰極射線管電視的方式相比，元透鏡可以取代笨重的透鏡系統(tǒng)。 8A]8yX =  
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Yu說(shuō)：“我們扁平透鏡的美妙之處在于，通過(guò)使用形狀復(fù)雜的亞原子，它不僅為單色光提供了正確的延遲分布，而且為連續(xù)光譜光提供了正確的延遲分布。而且因?yàn)樗鼈兒鼙�，所以它們有可能大大減小用于成像的任何光學(xué)儀器或設(shè)備（如照相機(jī)、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡，甚至我們的眼鏡）的尺寸和重量。想想看，一副厚度比一張紙還薄的眼鏡，不凸出的智能手機(jī)相機(jī)，無(wú)人駕駛汽車(chē)和無(wú)人駕駛飛機(jī)的成像和傳感系統(tǒng)的薄片，以及用于醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用的小型工具。” .Qn
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Yu的團(tuán)隊(duì)使用標(biāo)準(zhǔn)的二維平面制造技術(shù)制造了超透鏡，類(lèi)似于用于制造計(jì)算機(jī)芯片的技術(shù)。他們說(shuō)，大規(guī)模制造超透鏡的過(guò)程應(yīng)該比制造計(jì)算機(jī)芯片簡(jiǎn)單得多，因?yàn)樗麄冎恍枰�定義一層納米結(jié)構(gòu)——相比之下，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)芯片需要許多層，有些甚至多達(dá)100層。平面元透鏡的優(yōu)點(diǎn)在于，與傳統(tǒng)透鏡不同，它們不需要經(jīng)過(guò)昂貴和耗時(shí)的研磨和拋光過(guò)程。 Q+K]:c  
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“我們的平板鏡片的生產(chǎn)可以大規(guī)模地并行，生產(chǎn)出大量高性能和廉價(jià)的鏡片，”Yu的研究小組博士生Sajan Shrestha指出，他是這項(xiàng)研究的共同第一作者�！耙虼�，我們可以把我們的透鏡設(shè)計(jì)送到半導(dǎo)體鑄造廠進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，并從該行業(yè)固有的規(guī)模經(jīng)濟(jì)中獲益�！� P;25F
 
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由于平面透鏡可以將波長(zhǎng)范圍在1.2-1.7微米的近紅外光聚焦到同一焦斑，所以它可以在近紅外波段形成“彩色”圖像，因?yàn)樗�有的顏色同時(shí)聚焦，這對(duì)彩色攝影來(lái)說(shuō)是必不可少的。該透鏡可以聚焦任何任意偏振狀態(tài)的光，因此它不僅在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中工作，其中偏振可以很好地控制，而且在實(shí)際應(yīng)用中，環(huán)境光具有隨機(jī)偏振。它也適用于透射光，便于集成到光學(xué)系統(tǒng)中。 3=ME$%f  
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“我們的設(shè)計(jì)算法在將界面雕刻成二進(jìn)制圖案時(shí)耗盡了所有的自由度，因此，我們的平面透鏡能夠達(dá)到接近單個(gè)納米結(jié)構(gòu)界面可能達(dá)到的理論極限的性能，”該研究的另一個(gè)合作者亞當(dāng)·奧維格（Adam Overvig）說(shuō)，他也是Yu的一位博士生�！笆聦�(shí)上，我們已經(jīng)演示了幾個(gè)具有最佳理論上可能的組合特征的平面透鏡：對(duì)于給定的元透鏡直徑，我們已經(jīng)在最大波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得了最緊的焦斑�！� [= E=H*j  
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賓夕法尼亞大學(xué)教授Nader Engheta是納米光子學(xué)和超材料方面的專(zhuān)家，他本人沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，他說(shuō)：“這是Nanfang Yu教授團(tuán)隊(duì)的一個(gè)優(yōu)雅作品，在平面光學(xué)領(lǐng)域是一個(gè)令人興奮的研究。這種消色差元透鏡是超表面工程的最新技術(shù)，可以在包括成像、傳感和緊湊型照相機(jī)技術(shù)的各種應(yīng)用中為新的創(chuàng)新打開(kāi)大門(mén)。” M<Z#4Gg#4  
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現(xiàn)在，Yu和他的同事們制造的超透鏡已經(jīng)接近高質(zhì)量成像透鏡組的性能，而且重量和尺寸都小得多，團(tuán)隊(duì)還有另一個(gè)挑戰(zhàn)：提高透鏡的效率。平面透鏡目前不是最佳的，因?yàn)槿肷涔夤β实囊恍〔糠忠�么被平面透鏡反射，要么被散射到不需要的方向。團(tuán)隊(duì)樂(lè)觀地認(rèn)為效率問(wèn)題不是根本性的，他們忙于發(fā)明新的設(shè)計(jì)策略來(lái)解決效率問(wèn)題。他們還與工業(yè)界就進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和許可技術(shù)進(jìn)行商談。 tQ;Fgv8Y!  
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原文來(lái)源：https://phys.org/news/2018-10-revolutionary-ultra-thin-meta-lens-enables-full-color.html（實(shí)驗(yàn)幫譯）