薄如紙張的眼鏡片、不凸起的手機鏡頭、微型醫學成像工具……華人領導的研究團隊近日研製出一種只有1微米厚的超薄平面透鏡，有望大幅降低光學器件的尺寸和重量。未來，用上了「比紙薄的平面透鏡」，我們的生活會有怎樣的變化？記者特邀南大、南工大等高校的老師做了解讀。
揚子晚報/揚眼記者 楊甜子
華人團隊開發出
比紙薄的平面透鏡
美國哥倫比亞大學應用物理學副教授虞南方團隊新近發表在《光：科學及應用》雜誌上的報告顯示，這種由「超像素」構成的平面透鏡比普通紙張還要薄。這些像素均小於光的波長，能不同程度延遲光波通過透鏡的時長，從而實現傳統透鏡的功能。
不同顏色的光通過不同介質和結構時速度不一樣，因此複色光通過稜鏡會分解成單色光，這種現象被稱為光的色散。研究團隊採用具有複雜納米結構的「超像素」，使用半導體製造工藝，首次實現可將擁有任何偏振態的各色光波聚焦於一點的平面透鏡，其成像性能可與一流的複雜透鏡系統相當。
研究人員說，這種平面透鏡可依託類似製造電腦晶片的晶圓代工方式大規模生產。他們希望這種輕薄的平面透鏡能替代厚重的傳統透鏡，就像早年平面彩電取代顯像管電視機那樣。 新華社
平面透鏡「瘦身」以後
手機上凸出的鏡頭會變平
使用手機時，很多人都會抱怨手機的拍照鏡頭位置為啥會凸出一塊，要是鏡頭能「瘦身」，和手機的後蓋「融為一體」，該多好啊！同樣的問題還有相機，專業級的鏡頭重量儼然一個「小啞鈴」。「比紙還薄的平面透鏡」的出現，未來有望解決這一問題。南京工業大學王雨淋老師介紹，「比紙薄的平面透鏡」如果應用於手機鏡頭，鏡頭將會更加輕便。應用到相機鏡頭中，鏡頭也會更小，更薄，「啞鈴健身」一般的負重效果將大大減輕。
「瘦身」後的平面透鏡，如果能夠應用於手機，拍照效果是否也會更上一層樓？南京大學教授、微納光學領域專家李濤表示，按目前的水平，平面透鏡拍照還不會更加清晰。傳統透鏡主要分為凸透鏡和凹透鏡，可以用於光學成像或者視力矯正等。這些傳統透鏡功能是通過光學折射來獲得，需要光在鏡頭內部有一定的傳播距離，通常都由曲面形狀來改變光折射方向。就像人們佩戴的眼鏡，度數越高鏡片就越厚。然而，當前發展的超構透鏡（也稱超透鏡）技術是基於光學共振和衍射的原理，只需要微米厚度的平面結構就可以調控光折射方向，從而實現透鏡成像、分光、甚至全息等功能。不過，它目前在成像質量以及成像範圍等方面還存在不足。目前很多科學家正努力改進其性能。
拍照色差的問題或將妥善解決
同樣拍一個大紅色的物體，很有可能A拍出的效果是正紅色，B拍出來就是玫紅色。生活中的我們在拍照時，沒少遇到這樣的色差問題。假如用上了「比紙薄的平面透鏡」，今後拍照是不是再也沒有色差的問題了？
李濤教授表示，理解這個問題之前，先要知道「色差」到底是怎樣導致的。傳統鏡頭的色差來源於材料折射率的色散效應。就是說，在不同的波長下透鏡材料的折射率會不一樣，這就導致不同顏色的光會聚焦在不同的位置，這樣成像位置也會偏差導致成像模糊。「其實，當前的手機鏡頭為了避免色差已經對鏡頭進行了消色差處理，通常的方法是疊加多個鏡頭，通過凸凹透鏡的組合來對色差進行矯正。因此，不同品牌的手機都不應該存在色差問題。不同鏡頭拍攝顏色稍有不同是因為成像系統色溫定標不一樣造成的，而並非色差。」
李濤解釋，透鏡組的消色差方案是以犧牲成像系統的集成度為代價的，它使得器件會變大變厚，不利於手機等便攜設備。比如，手機就不能獲得單眼相機那樣長焦距高倍數成像。超薄型「超構透鏡」的出現，為解決這一問題提供了可能性。「如果不考慮鏡頭尺寸和成像效率。當前報導的成果以及之前報導的我國南京大學、美國哈佛大學、加州理工學院的技術都是可以獲得消色差的成像的。但若要達到千萬像素分辨力，90%以上高效率等性能指標，目前還具有挑戰性。隨著研究的繼續深入，終究會有全新的解決方案。」