元表面校正各种镜头的色差,哈佛大学扁平镜片亮相

去年二月,一个来自美国哈佛大学的研究小组曾经公布了一份有关新型镜片的研究报告。不同于传统的弧形曲面镜片,新型镜片可以令不同波长的光线折射出相同的角度,消除色差,从而使镜头公司不用再通过加入各种特殊镜片来减少色差。近日,进行该项研究的SEAS小组已经制作出了这种扁平镜片的实物成品。

今天的光学系统 – 从智能手机相机到尖端显微镜 –
使用的技术自1700年代中期以来没有太大变化。复合透镜于1730年左右发明,它可以校正色差,从而使透镜在不同的光点聚焦不同波长的光。虽然有效,但这些多材料镜片体积大,价格昂贵,并且需要精密抛光或模塑以及非常小心的光学对准。现在,哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的一组研究人员问:现在不是升级的时候了吗?

传统镜片

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新型扁平镜片

SEAS研究人员开发了一种所谓的元校正器,这是一种纳米结构的单层表面,可以校正可见光谱中的色差,并可以整合到商业光学系统中,从简单的镜头到高端显微镜。该元校正器消除了整个可见光谱中商用透镜的色差。该设备还可用于超复杂物镜,最多可使用14个传统镜头,用于高分辨率显微镜。

此次生产出的镜片样品其体积与传统镜片相比更加小巧、轻薄,其主要是利用了被称为“metasurface”的二氧化钛管超薄排列技术,让不同颜色准确穿过镜片。如果该项技术能够在未来被用于相机镜头的设计当中,那么可以预见的是具备优秀光学质量镜头的体积和重量也将会大大减小。

这项研究在Nano Letters中有所描述。

“我们的元校正技术可以与传统的折射光学元件协同工作,以提高性能,同时显着降低系统的复杂性和占地面积,适用于各种大批量应用”,应用物理学教授罗德华·L·华莱士教授Federico
Capasso说。和Vinton Hayes SEAS电气工程高级研究员和论文的高级作者。

在之前的研究中,Capasso和他的团队证明,间隔表面,间隔小于一个波长的纳米柱阵列,可以用来控制光的相位,幅度和偏振,并使新的超紧凑光学器件,包括平面透镜。该研究使用相同的原理来调节和控制每个纳米柱的有效折射率,使得所有波长由元校正器带到相同的焦点。

“你可以想象光在不同的速度下以不同的速度传播,因为它在纳米柱中传播。我们设计了纳米柱,使所有这些包同时到达焦点并具有相同的时间宽度,”魏婷说。
Chen,SEAS应用物理研究助理和论文的第一作者。

“使用元校正器与传统的像差校正方法根本不同,例如级联折射光学元件或使用衍射元件,因为它涉及纳米结构工程,”SEAS的研究生兼该研究的共同作者Alexander
Zhu说。“这意味着我们可以超越镜头的材料限制并获得更好的性能。”

接下来,研究人员旨在提高高端和微型光学设备的效率。

哈佛大学的技术开发办公室保护了与该项目相关的知识产权,并正在探索商业化机会。

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