科技公园文/李涛,校/胡月
随着智能手机的广泛普及,随手拍照已然融入了人们日常生活,“成像技术”不再是少数发烧友的独宠,成为普罗大众熟悉的事物。当然,这并非意味着大家真正认识了解手机的成像系统。大多数人可能并不知道,手机所用的小小的摄像头居然也是由5-7片透镜组合而成。那么为何要用这么多镜片呢?手机的摄像头能否做的更小呢?那我们就来聊一聊透镜成像技术吧。
说到成像,早在我国春秋时代的《墨经》中就记载了“小孔成像”。它很好反映了光直线传播的特征,但由于通光量有限并未由此发展出高效的成像器件和技术。真正大规模的成像技术源自于折射型透镜的发明。这是根据透镜材料的弯曲界面发生的光折射效应,将一个点发出的光线重新汇聚到一个像点来完成成像过程的。
由于成像原理的限制(如傍轴条件)、介质色散、光波长范围等因素,单个折射透镜的成像存在像差、色差、分辨率极限、视场范围等性能限制。提升成像分辨率以及成像性能一直以来是成像技术追求的目标。经过上百年的发展,人们已经发展出成熟的成像技术与系统,如显微镜、望远镜、单反相机、乃至光刻机等等。其中复杂的透镜组就是为了消像差、消色差实现高质量成像而设计。随着现代生产生活的需要,小巧便携式的成像系统越来越受欢迎,正如我们开头所说的手机摄像头,已经可以满足人们大部分生活的需求了。那么,对于更高要求的专业成像系统,如天文望远镜、高倍显微镜等等有没有可能便携化?针对不同波长、偏振等专用相机有没有可能便携化呢?这给成像技术发展提出新的挑战。
超构透镜源自于超构材料与超构表面,它是一种基于亚波长人工结构单元来局域地调控光的相位、偏振等参数来构建聚焦相位实现透镜成像的功能。它具有超轻超薄(仅微米/亚微米厚度)、平面结构等特征,非常有利于高度集成的成像系统。2016年哈佛大学报道了第一个高性能的全介质超构透镜拉开了超构透镜研究的序幕。随后,人们对超构透镜的色差、像差、偏振调控、波长调节等成像性能开展了深入广泛的研究。
由于超构透镜衍射本质,其色差远高于传统折射透镜。研究人员提出多种方案去进行透镜的消色差设计,并取得了一定程度的进展。不过,现有的结果表明超构透镜的消色差性能的提升往往需要牺牲成像效率为代价。至今,实现大尺寸大数值的高效率消色差透镜仍然是学术界公认的难题。
另一方面,平面透镜虽然对平行入射光具有消球差特性,但在成像过程中仍具有较大的慧差,这使得超构透镜成像的有效视场范围非常受限。对比于现今成熟的多片式镜头模组,这种超薄的超构透镜的成像性能还有很大差距。尽管如此,众多研究人员还在努力进一步优化设计原理,提升透镜加工技术,其成像性能还有很大提升空间。特别是随着计算机技术的发展,非常有希望通过算法优化来提升超构透镜的整体成像性能。
值得一提的是,超构表面灵活多样的设计原理和功能复用赋予了超构透镜在成像应用上的独特性与多样性。我国的科研团队也针对消色差超构透镜开展了系统研究,提出并成功演示了实现方案。近年来,针对超构透镜实际应用问题,科研人员另辟蹊径,利用超构透镜特有的性质做了一些有趣的尝试,并有望将相关技术推向应用。
针对消色差超构透镜尺寸受限的问题,科学家避开了大尺寸透镜,设计并研制了消色差微透镜阵列,实现了消色差的光场成像,成功演示了“先拍照、后聚焦”的景深分辨功能,同时具有很高的色彩保真度。而且,这种平面结构的透镜阵列可以比传统器件具有更高的占空比和工艺兼容性,有望推动光场成像技术的发展。
另一方面,科研人员还巧妙地利用了超构透镜巨大的色差,发展了光谱变焦和层析成像技术。由于超构透镜自身色差很大,而利用非共振相位设计(如几何相位、传播相位)的超构透镜都具有一定的工作波长带宽。在此波长范围内,可以通过调节照明波长来改变透镜焦距,达到变焦功能,并成功利用该性质实现了生物细胞的层析显微成像。整个过程仅需调节波长无需任何机械移动,是一种高集成高稳定的新型层析成像技术。
最近,针对高分辨显微成像中视场范围受限的问题,我国科研团队发展了偏振复用的超构透镜阵列,打破传统单光轴成像系统的空间带宽积限制,获得大视场显微成像。其中偏振复用的超构透镜设计可以提供两组互相交错的聚焦相位,消除成像拼接过程中的视场盲区。这正是超构透镜多功能、设计灵活优势的体现。基于此,研制出的三厘米尺寸的便携式超构显微镜,有望广泛应用于便携式医疗诊断、野外科考等领域。
回顾近十年发展,光学超构透镜经历了从原理创新到应用开发的过程,其性能不断被优化,应用场景不断被拓展。除了本文所描述的成像应用外,它也在偏振成像、光谱成像等方面展示出独特优势。可以说,超构透镜技术的发展在很多方面打破了传统成像的局限,为发展颠覆性成像技术开辟了广阔的空间。
专家简介:
李涛,南京大学现代工程与应用科学学院教授。2005年于南京大学物理系博士毕业,曾先后在新加坡南洋理工大学、香港浸会大学做访问学者,长期从事微纳光子学研究,在光学超构材料、表面等离激元、光波导集成等方面做出一系列创新性成果,多次入选中国光学重要成果/十大进展。在Nature, ﻪNature Nano., Nature Comm., PRL, Light Sci. ﻪAppl.等刊物发表论文逾百篇(引用超5000次)。
