光行天下 2024-04-21 00:00 四川
超透镜（Metalenses）又称超构透镜。是一种二维平面透镜结构，是由超表面（具有亚波长厚度的平面二维 (2D) 超材料）聚焦光的光学元件制成。超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。
超透镜技术为镜头提供了一系列新的轻量化设计选项，而且表面的平坦特性还有助于避免传统曲面镜头中常见的图像变形失真的问题。
超透镜（光行天下配图来自网络）
超镜头的优点
大多数传统透镜设计使用凸面或凹面形状来聚焦或扩展入射光束。虽然在光轴上可以实现近乎理想的聚焦，但产生的图像可能会因穿过其他镜头区域的光线而失真。图像角落的桶形和枕形畸变是最常见的。
校正镜头像差通常意味着创建定制镜头或多个光学元件，这会增加设备的重量和体积。如果设备需要改变焦距位置或平移光束，则还需要移动任何镜头组，这可能会导致进一步的不稳定。
与传统透镜设计相比，衍射透镜具有一些优势，因为它们也是扁平的，并且相对容易以低成本制造。然而，这些镜头的显著缺点之一是存在高阶衍射，从而限制了可以实现的图像质量。相比之下，超透镜在设计上更加灵活，并且在透射图像中不存在更高衍射阶数的相同问题。
现在正在为超透镜创造许多新型的表面，这些表面将允许平面透镜改变其聚焦位置，而无需物理改变光学系统中任何组件的位置。许多光学系统由于运动部件而存在不稳定问题;这限制了它们在手持设备或车载自动驾驶汽车等领域的应用。为此，超透镜可能是一种非常方便的紧凑型解决方案。
超透镜相较于传统透镜，具有多方面的显著优势。下面是对超透镜优势的做一些解释：
1.薄型设计
传统透镜组的厚度通常在毫米至分米级，而超透镜的厚度则达到百纳米至微米级，这大约相当于头发丝的五十分之一。这种超薄的设计使得超透镜在各种设备中的应用更加灵活，尤其适用于对空间要求严苛的场合。
2.轻量化
超透镜的重量较传统透镜可以忽略不计，因此能有效降低产品的整体重量。这种轻量化的特性对于移动设备、航空航天等领域的应用至关重要，可以显著减少能源消耗和提高设备的便携性。
3.结构简化
传统透镜通常需要复杂的透镜组系统来实现所需的光学性能，而超透镜则可以将所有功能整合在一两个超表面上。这种简化的结构不仅降低了产品的复杂度，还减少了因镜头模组中镜片过多带来的产品体积较大的弊端，使得设备更加紧凑。
4.低成本
超透镜采用半导体工艺进行生产，这意味着它的大批量生产成本较传统透镜大大降低。这种成本优势使得超透镜在市场上的推广和应用更加具有竞争力。
5.出色的光学性能
超透镜在设计上更加灵活，透射图像中不存在高阶衍射问题，从而可以实现更高的图像质量。此外，超透镜还可以通过改变其表面的微纳结构来调制入射光的相位，实现汇聚成像，这使得它在消费电子、安防监控、汽车电子、光通信及AR/VR等领域具有广泛的应用前景。尽管超透镜具有诸多优势，但在实际应用中仍需要克服一些挑战，例如如何实现更高效的制造、如何优化其光学性能以及如何在不同应用场景中发挥其最大潜力等。随着技术的不断进步和研究的深入，相信超透镜的优势将得到更充分的发挥，为光学行业带来一场深刻的变革。
表面结构
超透镜有两种主要的超表面结构，介电结构或等离子体结构。介电材料用于许多标准光学元件，还可以产生形成超表面的亚波长散射。
如果需要，介电材料用于将相位延迟()引入入射光脉冲1现在有一些介电材料可用于创建无像差、衍射受限、偏振无关的聚焦，并在广泛的带宽范围内工作。
在设计超透镜时，必须考虑表面上散射点的几何形状。每个元单元都会影响电磁辐射的特性，必须仔细设计以避免传统的透镜问题。
等离子体材料有利于电磁辐射的振幅整形，可用于广泛的波长区域。材料中的等离子体模式被明确定义以创建透镜，但各种修改，例如添加层以过滤掉高阶等离子体模式，也有助于提高最终超透镜的效率。
已经有短波长光刻装置利用超透镜可实现的亚衍射极限聚焦来提高仪器的空间分辨率。然而，制造超透镜以照亮更大区域并提高许多超透镜光学器件的效率仍然存在一些挑战。
超透镜的未来
超透镜在单个光学器件中执行复杂波前工程的潜力对于一系列应用极具吸引力。
与传统镜头相比，超透镜是设备小型化、提高光学稳定性和实现更好质量对焦的理想选择。
然而，超透镜的制造并非易事，因为需要高精度地设计微小结构以在超表面产生所需的行为。
经济高效地制造超透镜仍然是一个重大挑战。对于适合用作超表面的新材料，仍需要进行大量研究。
尽管制造面临挑战，但超透镜在过去几年中取得了快速进展，并证明它们可用于控制光的所有基本特性。特别是亚波长结构，被誉为有可能为“工程光学2.0”带来一场新的革命。
为宽带应用设计多尺度结构是超透镜需要克服的另一个关键挑战。超透镜的设计和批量制造是有问题的，因为它需要合并几种类型的结构。然而，随着设计原则的出现，新的工具正在出现，这意味着任何依赖集成光学器件的设备都有一个充满希望的未来。
原文链接：https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=2257
参考资料和延伸阅读：
