提起透鏡，很多人都不陌生。無論是我們平常戴的眼睛，還是拍照攝像用的鏡頭，亦或老年人用的放大鏡，它們都屬于透鏡。但是，這些透鏡不是凹透鏡，就是凸透鏡。又有誰聽說過平面透鏡呢?
而就在近日，美國哥倫比亞大學華人學者虞南方領導的研究團隊研制出一種厚度只有1微米的超薄平面透鏡，有望大幅降低光學器件的尺寸和重量。
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平面透鏡上分布著很多“超像素”
日常生活中，我們用到的透鏡都是球面透鏡，一般由光學玻璃、光學晶體、光學樹脂等光學材料制作而成。它利用光學折射原理，采用不同材料、不同球面以及不同空間位置，來實現對光線的控制。
而光又分為單色光和復色光，簡單地說，單色光就是一種顏色的光，復色光(比如太陽光)則是由多種顏色的光混合而成。
由于不同顏色的光通過不同介質和結構時速度不一樣，因此復色光通過棱鏡會分解成單色光，這種現象被稱為光的色散。雨后出現的彩虹就是太陽光沿著一定角度射入空氣中的水滴后，由折射和反射造成的一種比較復雜的色散現象。
由于這種現象的存在，普通透鏡就無法同時聚焦不同顏色的光，進而發生色差。目前大部分相機等成像系統都是通過堆疊多層透鏡來解決色差的問題，這就導致現在的攝像攝影器材不僅結構復雜而且很笨重。
在解決這個問題上，虞南方團隊最新研制的超薄平面透鏡邁出了一大步。這種由“超像素”構成的平面透鏡比普通紙張還要薄。
“虞南方團隊研制的超薄平面透鏡，并不是利用傳統光的折射原理，而是利用光在介質傳播過程中的相位延遲，實現光的偏轉，這是一種衍射原理。該透鏡在平面上分布著很多‘超像素’，每個‘超像素’的尺寸只有0.5微米左右，小于光的波長，并具有不同的相位延遲量。因為延遲量的分布經過精心設計，所以可將傳遞到該超薄透鏡的平行光會聚到同一焦點，實現傳統透鏡的功能。目前他們團隊可以讓1.2—1.7微米波長的近紅外光達到很好的聚焦效果。”北京理工大學光電學院副教授胡搖告訴科技日報記者。
最關鍵是解決色差問題
超薄平面透鏡使用半導體制造工藝加工，首次實現將擁有任何偏振態的各色光波聚焦于一點，其成像性能可與一流的復雜透鏡系統相提并論。
與傳統透鏡的加工需要經過選材、切削、粗磨、精磨、拋光、檢測等工藝流程不同，這種超薄平面透鏡是采用光刻技術進行加工的，這是一套完全不同的工藝流程。
胡搖表示，加工超薄平面透鏡采用的光刻技術目前常用于芯片加工。該技術當前只能在平面上進行光刻加工，但是也因為光刻技術的相對成熟，該方法可較快轉換應用。實際上，使用光刻工藝制作能實現透鏡基本功能的器件并不難，此次研究的重點是解決不同顏色的光成像不一致的問題，也就是所謂色差問題。這個色差會極大影響復色光成像效果，如日常陽光或燈光照明時的效果，如果使用激光等單色光源照明是不需要解決色差問題的。色差問題的解決使該技術向實用化邁進了一大步。
與此同時，“該研究實現的是紅外波段的成像，在論文項目資助列表里也有軍方項目，因此可以猜測研究人員是考慮了軍事上更輕、更薄、更穩定的應用需求的。”胡搖說。
在她看來，科學家們一直都在致力于讓透鏡變得更薄，并且在這條道路上開辟出多個研究方向。她介紹，菲涅爾透鏡是很早便存在的將透鏡變得更薄的方法，并廣泛應用于日常生活中，如手機的閃光燈。所謂菲涅爾透鏡又稱螺紋透鏡，它的鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，通過將數個獨立的截面安裝在一個框架上從而制作出更輕更薄的透鏡;采用非球面、自由曲面也可以降低球面鏡組的整體光學長度，用一片實現多片的功能，提高成像質量的同時減小光學系統的重量;采用衍射元件實現透鏡的效果，如衍射光柵、計算全息圖以及該團隊研發的超薄透鏡;此外，已經有基于計算成像的、無需透鏡的衍射成像技術在顯微成像等領域得到應用。(實習記者 陸成寬)
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