大面积自适应“超透镜”：未来有望制成“人造眼”

2018 年 2 月 24 日 IntelligentThings John

导读

近日，美国哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院（SEAS）的科研人员开发出一种自适应超透镜（metalens）。从本质上说，我们可以将它当成一种通过电子方式控制的平面人造眼睛。

背景

超颖材料（metamaterial），又称“超材料”，是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（例如：负磁导率、负介电常数、负折射率等）的复合材料。超材料是具有颠覆性意义的前沿技术领域，其应用领域包括：光纤、医疗、航空航天、传感器、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。

在超材料的基础上，科学家又进一步开发出超表面（metasurface）。它是由具有特殊电磁属性的人工原子按照一定方式排列组成的二维平面结构，可实现对于入射光的振幅、相位、偏振等进行灵活的调控，具有强大的光场操控能力。

通过极薄的超表面，科学家又制作出了平面超透镜（Metalenses ）。超透镜最大优点就是：轻薄（其厚度是纳米级的）和小型化，其功能大大超越传统透镜。超透镜有望彻底颠覆传统光学装置中繁琐的镜头组，使得手机、相机、监控摄像头都变得非常薄、非常小。

笔者曾介绍过超透镜方面的研究成果，下面通过两个典型案例回顾一下：

1）韩国基础科学研究所（IBS）集成纳米结构物理中心的科学家们与英国伯明翰大学、韩国科学技术院（KAIST）的科学家们合作开发出的具有可调功能的、信用卡般厚度的平面超透镜。它由石墨烯和穿孔的金表面组成，可作为某些高级应用的光学组件使用，这些应用包括：振幅可调的镜头、激光器（例如：涡旋相位板）、动态全息照相。

（图片来源：参考资料【2】）

2）哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院（SEAS）的科学家团队开发出首个超透镜，它可以将整个可见光光谱（包括白光）聚焦到同一个点，并可以达到很高的分辨率。

（图片来源：Jared Sisler/Harvard SEAS）

创新

近日，美国哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院（SEAS）的科研人员开发出一种自适应超透镜（metalens）。从本质上说，我们可以将它当成一种通过电子方式控制的平面人造眼睛。这种自适应超透镜可同时控制构成模糊图像的三个主要因素：焦距、散光、像移。

下图显示：超透镜（由硅制成）位于透明弹性聚合物薄膜（没有电极）上。这种彩色的虹彩由超透镜中大量的纳米结构产生。

（图片来源：Capasso 实验室 / Harvard SEAS）

下图显示：具有适应能力的超透镜将光线聚焦到图像传感器上。电信号控制超透镜的形状，产生期望的光学波前（红色），从而带来更好的图像效果。未来，这种自适应超透镜将内置到图像系统中，例如手机摄像头和显微镜，带来小型化的平面自动对焦、同时纠正光学像差和进行光学图像稳定处理的能力，所有这些控制都通过单个平面实现。

（图片来源：Capasso 实验室 / Harvard SEAS）

研究成果发表于《科学进展（Science Advances）》杂志。哈佛大学技术开发办公室已经对于这个项目的相关知识产权进行了保护。

这项研究的合著者包括：SEAS 电气工程专业高级研究员、应用物理系教授、论文高级作者 Federico Capasso，SEAS 的研究生、论文第一作者 Alan She，Shuyan Zhang 和 Samuel Shian。研究由美国空军科学研究局和美国国家科学基金提供赞助。由美国国家科学基金支持的纳米系统中心（CNS）也参与了部分研究工作。

技术

为了构造人造眼睛，首先研究人员需要按比例扩大超透镜。之前，超透镜的尺寸与一小片金葱粉差不多大。它们聚焦光线，并通过密集的纳米结构图案消除球面像差，每个纳米结构都比光线的波长更小。

She 说：“因为纳米结构如此小，每个透镜中的信息密度极高。如果你将100微米的透镜变成厘米级的透镜，那么描述透镜所需的信息将增加1万倍。每当我们尝试去扩大透镜尺寸时，设计文件的大小将膨胀至吉字节级甚至太字节级。”

为了解决这一问题，研究人员开发出一种压缩文件大小的新算法，让超透镜可兼容现有的集成电路制造技术。最近，在发表于《Optics Express
》期刊的一篇论文中，研究人员描述了直径达厘米级甚至更长的超透镜设计和制造方法。

（图片来源：参考资料【4】）

然后，研究人员需要将大型超透镜连接人造肌肉，并且不影响它的聚光能力。在人眼中，睫状肌围绕着晶状体，它可以拉伸或者收缩晶状体，改变其形状，调整焦距。Capasso 及其团队与 SEAS 材料学教授、介电弹性体致动器（人造肌肉）工程应用领域的先驱 David Clarke 展开了合作。

研究人员们选择了一种薄薄的、透明的、低损耗介电弹性体连接在透镜上。这样一来，光线穿过材料时的散射会很小。为了这么做，研究人员需要开发一个平台，用于将透镜转移和黏贴到柔软的表面上。

Clarke 表示：“与半导体不同，弹性体几乎每一天都会变化。因此，挑战在于，如何结合它们的特性制造出一种新型多功能设备，特别是如何设计制造方案。1960年代中期，有人首次发明了扫描电子显微镜（SEMs）。因此，实现具有SEM功能的光学显微镜的一部分功能，例如实时像差控制，将非常令人振奋。”

施加电压可以控制弹性体。当弹性体拉伸时，透镜表面上纳米柱的位置会改变。控制纳米柱与它们邻居之间的相对位置以及这些结构的总位移，将可以调谐超透镜。研究人员也演示了这种透镜可以同步调焦，控制散光和像移带来的像差。

透镜和人造肌肉的总厚度总共只有30微米。下一步，研究人员将进一步改善透镜的功能，降低控制电压。

价值

Alan She 表示：“这项研究将人造肌肉技术与超透镜技术的突破性进展结合起来，创造出一种可调谐的超透镜。它就像人眼一样，可以实时调节焦距。我们更进一步地设计出动态纠正像差（例如：散光和像移）的能力，而人眼生来并不具备这些功能。”

Alan She 又说：“所有的光学系统（从摄像头到显微镜和望远镜）都有多个组件，这些组件具有轻微的角误差或者受到轻微的机械压力，这取决于它们的制造方法和目前所处的环境，这样也通常会引起少量的散光和其他像差，这些都可以通过自适应光学元件来纠正。自适应超透镜是平面的，因此你可以纠正这些像差，将不同的光学功能集成到单个控制平面上。”

Capasso 表示：“这项研究展示了嵌入光学变焦和自动对焦的可行性，它可用于一系列领域，例如：手机摄像头、眼镜、虚拟现实和增强现实硬件。此外，它也有望用于未来的光学显微镜，这种显微镜将以完全电子的方式工作，可同时纠正许多像差。”

Capasso 表示：“这项研究有望联合两个产业：半导体制造和透镜制造，制造计算机芯片的技术也同样可用于制造基于超表面的光学元件，例如透镜。”

关键字

超透镜、超材料、半导体、光学

参考资料

【1】https://www.seas.harvard.edu/news/2018/02/researchers-combine-metalens-with-artificial-muscle

【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】Alan She, Shuyan Zhang, Samuel Shian, David R. Clarke and Federico Capasso. Adaptive metalenses with simultaneous electrical control of focal length, astigmatism, and shift. Science Advances, 2018; 4 (2): eaa9957 DOI: 10.1126/sciadv.aap9957

【4】Alan She, Shuyan Zhang, Samuel Shian, David R. Clarke, Federico Capasso. Large area metalenses: design, characterization, and mass manufacturing. Optics Express, 2018; 26 (2): 1573 DOI: 10.1364/OE.26.001573