行業視角丨創世紀：鏡頭革命！從超構表面到超構透鏡

博頓導讀

透鏡是一種基礎光學元件，在日常生活中被廣泛應用，例如相機、眼鏡、顯微鏡等。傳統透鏡對於不同波長的光線具有不同的折射率，因此無法將各種顏色的光線聚焦到同一點上，從而產生色差，導致圖像失真。今天博頓君分享的這篇文章，講述了從超構表面到超構透鏡的研究成果，堪稱創世紀的鏡頭革命，一起來看下~

轉載自「中國光學 」

撰稿 | 鮮輝（中科院物構所 博士生）

透鏡是一種基礎光學元件，在日常生活中被廣泛應用，例如相機、眼鏡、顯微鏡等。傳統透鏡對於不同波長的光線具有不同的折射率，因此無法將各種顏色的光線聚焦到同一點上，從而產生色差，導致圖像失真。

將整個可見光譜和白光聚焦是十分具有挑戰性的，因為不同波長的光在材料中移動的速度是不一樣的。比如，紅光會比藍光更快的穿過玻璃。當兩種光在不同時間到達同一位置時，就產生了兩個不同的焦點。我們稱這一現象為色差。

為了解決色差的問題，傳統的成像系統將多個不同厚度和材質的曲面透鏡疊加在一起。再薄、再緊湊則會導致圖像失真和不清晰，這也是為什麼大功率顯微鏡和長焦鏡頭會由於透鏡不可打破的物理規則，廠商們已經把鏡頭做的那麼大的原因。但是，這種解決方案卻是以增加系統複雜度和重量為代價的。

圖源：網絡

然而，一種新型透鏡可以解決上述問題，這就是超構透鏡metalens。超構透鏡具有納米結構的扁平表面，即超構表面metasurface，能利用納米結構聚光讓入射光投射到期望的地方。

超構透鏡輕薄小巧，功能大大超越傳統透鏡，是一種利用納米結構聚光進而達到避免色差出現的平面，即超構表面。

與傳統透鏡相比，被稱為超構表面的光學納米材料平面透鏡重量大大降低。當超構表面的亞波長納米結構形成特定的重複模式時能模擬折射光線的複雜曲率，沒有傳統透鏡笨重，且在減少畸變的情況下聚焦光線的能力得以改善。

作為光學領域的一項革命性技術，它有望徹底顛覆傳統光學系統中繁瑣的透鏡組，使得手機、相機、監控攝像頭等產品都變得更小、更薄、更輕。

圖源：Advanced Optical Materials (2017) 1700507

超構表面作為一種獨特的光子技術能夠以空前的規模精確操縱光的波陣面從而產生許多有趣而奇特的光學現象，激發了研究人員在平面光學領域的廣泛研究興趣。

通過光與納米尺度排列的偏原子的局部相互作用，提供對穿過結構化平面的波前的相位，幅度和偏振態的控制。利用當前的製造技術，可以對相位，幅度和偏振態進行工程設計，從而可以對散射場進行局部控制，並模製光流以創建自然材料無法比擬的光學效果。與傳統的折射光學元件相比，這項技術已顯示出有望實現形式-功能關係的根本改變。

圖源：Columbia University

500多年來，人類已經掌握了將玻璃做成透鏡使光線發生折射，然後彎曲或組合這些透鏡，使近距離和遠距離圖像放大以及變清晰的光學成像技術。然而在過去近十年的時間內，哈佛大學的科學家Federico Capasso

【 拓展連結】開創了平面光學研究領域，並在2014年首先發表了關於超構透鏡的研究。

緊接著，Capasso在2016帶領研究團隊提出了超構透鏡技術，這種表面覆蓋納米柱的新型透鏡的厚度能夠做到比普通鏡片薄10萬倍，並且擁有易生產、成本低等優勢。

研究團隊通過設計平面光學超構表面來取代傳統透鏡，並利用數百萬個細微的、薄而透明的石英柱陣列來衍射和塑造光線的流動。這與玻璃透鏡的方式大致相同，但卻不像玻璃那樣與生俱來地受"像差"的制約。

超構透鏡使用納米結構聚焦光的平坦表面，通過用簡單，平坦的表面來取代目前在光學器件中廣泛使用的龐大的彎曲透鏡實現光學革命。該技術在被評為2016年Science的最佳發現之一。

這項技術先後在2019年被世界經濟論壇（WEF）、科學美國人（SciAm）評為十大新興技術之一。

它表明這些越來越小、越來越清晰的透鏡很快就會出現在照相手機、傳感器、光纖線路以及諸如內窺鏡之類的醫學成像設備中。世界經濟論壇如此評價：「使手機、計算機以及其他電子設備使用的鏡頭變小，已超出了傳統的玻璃切割和玻璃彎曲技術的能力……這些細微、薄而扁平的透鏡可以代替現有的笨重的玻璃透鏡，並可以使傳感器和醫學成像設備進一步小型化。」

圖源：SCHOTT

接下來，讓我們一起走進Capasso研究團隊從超構表面到革新傳統透鏡的研究歷程吧！

2011年 | 超構表面引領超材料研究新徵程

2011年Capasso研究團隊首次開創了一個全新的二維超構材料metamaterials——超構表面方向。超構材料是一類具有改變光等電磁波傳播性質而傳統材料無法實現的特殊性質的人造材料。以往關於超構材料的研究均專注於三維超構材料的研究，然而三維超構材料結構複雜、只調控體參數的缺點在後續研究中越發暴露不能適應現有工藝相結合的功能應用。

研究團隊從率先提出的突變相位（abrupt phase shift）概念出發，推導得到了廣義折反射定律（Generalized Laws of Reflectionand Refraction），打破了傳統幾何光學規律——斯涅爾定律，推動了人工超構材料向二維化方向發展，從而與現有的半導體工藝相兼容。

該工作奠基了超構表面一種重要的唯象模型——相位梯度與廣義折反射模型，該研究提出的等離激元（plasmonic）結構——V型天線（V-antennas）用於相位調控開創了相位梯度型超構表面的研究熱點。超構表面的提出真正意義上克服了以往三維超構材料的局限性，從此引領了超構表面研究的新徵程。

該項成果以"Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction」為題發表在頂級期刊 science上。

模擬圖源：science (2011) 334,333-337 (Fig.2, Fig. 3)

圖1 V型天線用於光相位調控及散射電場有限差分時域（FDTD）

2012年 | 超構透鏡：或將取代傳統透鏡組

圖源：Harvard University

時隔不到一年，Capasso研究團隊在2011年提出的一種新的光相位不連續性概念的基礎上，即當光照射到亞波長散射體時，它的相位會發生突變即非連續變化。

2012年研究團隊將其應用於無像差平面透鏡和軸鏡的設計和示範上並可實現遠場衍射極限以下的聚焦和成像，該結構可提供光的相位和幅度的亞波長空間解析度。該項創新性成果以「Aberration-Free Ultrathin Flat Lenses and Axicons at Telecom Wavelengths Based on Plasmonic Metasurfaces」為題發表在Nano Letters上。

圖源：Nano Lett (2012)12, 4932−4936

研究團隊利用相位不連續性徑向分布的超薄亞波長間隔V型納米天線組成的超構表面的將光進行散射，從而可以分別產生電信波長下的球形波陣面和無衍射貝塞爾光束。然後研究團隊利用精確控制每個單元結構來控制光的相位，從而使光匯聚到一點，即超構表面透鏡。超構透鏡的特性取決於如何合理設計納米單元的排列組合。

研究團隊基於等離子超構表面設計製造並演示了兩個具有釐米級焦距的平面透鏡和一個角度為β= 0.5°的軸鏡。即使在高數值孔徑（NA）下也沒有單色像差，實驗結果與使用偶極模型的分析計算非常吻合。同時仿真結果也表明這種無像差設計適用於例如平面顯微鏡物鏡等高數值孔徑的透鏡。

圖2 平面透鏡和軸鏡設計製造原理以及聚焦實驗和模擬仿真

圖源：Nano Lett (2012) 12, 4932−4936 ( Fig.1, Fig.3 )

2016年 | 超構透鏡榮登science封面

圖源：Science

從顯微鏡、數位相機、高帶寬纖維光學到雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）的實驗室設備，透鏡技術在各個尺度均取得了重要進展。

2016年哈佛大學Capasso研究團隊開發了一種高效、超薄（約一個波長）、超高解析度的超構表面透鏡，可以將可見光匯聚到亞波長尺寸的光斑。

該項重大突破性工作以「Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging」為題並以封面的形式發表在Science上。這種超構表面透鏡，有望取代手機、顯微鏡、照相機等鏡頭。

圖3 超構透鏡設計和製造原理

圖源：science (2016) 352 (6290): 1190–1194 ( Fig.1, Fig.S1 )

亞波長分辨成像一般需要高數值孔徑（NA）鏡頭，但這種鏡頭又大又貴。而超構表面允許將常規折射光學器件小型化為平面結構，因此高縱橫比的二氧化鈦亞表面可以被設計和製造為NA = 0.8的超構透鏡。

Capasso研究團隊在405、532和660nm的波長處證明了衍射極限的聚焦，相應的效率為86％，73％和66％。

超構透鏡可以分辨被亞波長距離分隔的納米級特徵，並提供高達170倍的放大倍率，其圖像質量可與最先進的商業目標相媲美，此外超構透鏡還可以廣泛應用於基於雷射的顯微鏡、成像和光譜學。

圖4 超透鏡與Niko鏡頭可見光衍射極限對比及成像

圖源：science (2016) 352 (6290): 1190–1194 ( Fig.2, Fig.4 )

同年，該技術被science評為2016年度十大重大科技突破之一。並被這樣評論道：「玻璃透鏡是人類最早期的高科技發明之一。它們讓伽利略能夠看得到木星的衛星，讓列文虎克觀察微生物，讓數以百萬計的人可以更清楚地看這個世界。但今天的透鏡還在以與幾個世紀之前同樣的粗糙方式在生產，通過打磨和拋光玻璃以及其他透明材料使其聚光且不產生色差。現在，透鏡技術正在向前邁進一大步。研究人員利用計算機晶片—模式技術製作了首批超級材料透鏡或超構透鏡，它們能夠聚焦整個可見光光譜。因為超構透鏡製造價格低廉，比紙更薄，而且比玻璃輕得多，它們將為從顯微鏡到虛擬設備、相機（包括智慧型手機的相機鏡頭）等領域帶來一場革命。」

2018年 | 無色差超構透鏡進軍AR/VR領域

圖源：三星 VR

雖然現代AR和VR頭顯設備在體積和重量上都有所減小，但由於光學技術原因又使得這項工作變得困難。頭顯所用的鏡片需要聚焦整個可見光譜和白光，但每個光的波長不一樣，於是這個問題就變得棘手。

哈佛大學研究人員John A. Paulson認為他們已經找到了解決這一難題的辦法，即使用超構透鏡並首次被發現能夠處理整個可見光範圍。

不過，在2016年時，這項技術還有一個巨大的，也是最難的挑戰。那就是修正色度色散——不同波長的光集中在不同距離的鏡頭的現象，也就是可以將不同的光集中在一起，卻可以不在一樣的距離。為此，研究人員在metasurfaces的基礎上，優化了納米柱的形狀、寬度、距離和高度。

研究團隊使用二氧化鈦創造的納米級的平滑和高寬比納米結構構成了該超構透鏡的心臟。並以此設計了2D納米級金屬天線陣列——超構表面利用平面上無數的小光學元件達到折射的目的。

超構表面的設計讓超構透鏡具有了高數值孔徑，這意味著它可以把光聚焦在比波長更小的地方約400nm。聚焦的光越緊密、焦點越小，圖像的解析度也就越高。在這樣的尺度下，超構透鏡能夠提供比任何一個國家的藝術商業鏡頭更好的焦點。

Capasso研究團隊在2018年開發出了首個可以將整個可見光譜（包括白光）以高解析度聚焦在同一個點上的單一透鏡。這在傳統透鏡中只能通過疊加來實現。該項突破性研究以題為「A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible」發表在Nature Nanotechnology上。

它使用了二氧化鈦納米薄膜組來平均聚焦光的波長並消除色差，用簡單扁平的表面來取代目前光學器件中使用的龐大彎曲透鏡勢必將引發一場光學革命。

圖源：Harvard University

聚焦整個可見光譜和白光（所有光譜顏色的組合）非常具有挑戰性，因為每個波長都會以不同的速度穿過材料。所以兩種顏色將不能同時到達相同的位置的這種差異導致了焦點不同，並產生了被稱為色差的圖像失真。相機和光學儀器使用了不同厚度和材料的多個曲面透鏡來校正這些色差，當然這也加大了設備的體積。

圖源：Harvard University

超構透鏡是一個單平面透鏡，相比於16年只能收集從紅到藍的可見光光譜，新的超構透鏡可以將整個可見光光譜（包括白光）集中在同一位置，並在高解析度下聚焦。這在傳統的鏡片上是通過堆疊多個鏡片來實現的。同時，超構透鏡還有一個巨大的優勢。正常的鏡片必須用手精確拋光，而且任何裝配中發生的誤差都會使透鏡的性能下降。而超構透鏡只需要一個單一的步驟——一層光刻就可以了。這樣就簡單的獲得了一個高性能的鏡頭。

在這個設計中，研究人員建立了配對納米膜，用來同時控制不同波長光的速度。

配對納米膜可以控制超構表面上的折射率，同時通過將兩個納米膜結合成一個元素，來協調不同時間延遲的光線通過不同的納米膜，確保所有波長的光同時到達焦點。他們通過使用一組二氧化鈦納米纖維來均勻聚焦不同波長的光線並消除色差，而不用像傳統鏡頭那樣需要疊加多個不同曲度和厚度的鏡片才能將整個可見光光譜聚焦於一點。

圖5 超透鏡消色差原理及可見波段聚焦成像

圖源：Nature Nanotechnology (2018)13:220–226( Fig.1, Fig.4 )

Capasso表示：「超構透鏡要優於傳統透鏡。超構透鏡較薄，易於製造且成本效益高。該突破將這些優勢擴展到了整個可見光領域。這是下一個大的進展。」

該論文的第一作者Wei Ting Chen表示：「在設計無色差的寬波段透鏡時，最大的挑戰之一就是要確保超構透鏡各點輸出的波長同時到達焦點。我們通過將兩個納米薄膜結合為一個元件，這樣可以調整納米結構材料中的光速，以確保使用一個單一的超透鏡就可以將可見光中的所有波長都聚焦在同一個點上，相對於複合的標準消色差透鏡來說，這大大減少了透鏡的厚度和設計的複雜度。」

共同作者之一Alexander Zhu說：「使用我們的消色差透鏡，我們可以進行高質量的白光成像，這使我們向將它們整合到相機等常見光學設備中的目標又邁進了一步。」

相比較於傳統鏡片，超構透鏡的優勢是十分明顯。它更薄，易於製造而且成本效益更高。其最佳用途自然是在頭戴式設備，由於複雜的鏡片設計，頭戴式往往十分沉重，無法長時間佩戴，而將超構透鏡應用在VR、AR等上，那將大大減輕頭戴式設備的重量。

這項研究的第一作者Wei Ting Chen說：「儘管技術仍處於起步階段，但使用變焦鏡頭拍攝的圖像質量可能會超過傳統鏡頭拍攝的質量。而且，由於它們的尺寸小，設計不那麼複雜，因此比曲面透鏡更容易批量生產。」

製造這種超構透鏡的關鍵在於表面處理。二氧化鈦薄膜陣列用於聚焦光波長，通過調整這些薄膜的高度、形狀、寬度、距離以及重新配對達到控制折射率的目的。這樣，就能在同一時間讓所有光的波長在同一時間到達眼球。

團隊下一個要迎接的巨大挑戰是如何將人類眼睛能看到的全波長配對起來以及如何加大超構透鏡的大小。

研究人員指出，對於後者，這種鏡片直徑需要達到10mm左右才行，這將引出一系列新的可能性，例如在虛擬和增強現實中的應用。哈佛大學技術開發辦公室（OTD）已經保護了與這個項目有關的智慧財產權，並已經將這一項目授權給了一家初創公司，想必未來這種技術的商用非常可行。

2020年 | 新型超構透鏡：超構表面+液晶

近日，哈佛大學Capasso教授與美國凱斯西儲大學Giuseppe Strangi教授以及義大利卡拉布裡亞大學的研究人員合作，將納米結構超構表面與液晶技術結合起來，將超構透鏡的研究又推進了一步——使它們變得「可重構」而更加有用，這有望革新光學技術。

Strangi表示：「他們通過利用納米力使液晶在這些微柱之間浸潤，從而使微柱以全新的方式塑造和衍射光線，「調節」聚焦力來做到這一點。」這一突破性成果於今年8月初以「Optical properties of metasurfaces infiltrated with liquid crystals」為題發表在頂級期刊PNAS上。

圖源：Case Western Reserve University

液晶具備可以對其進行熱、電、磁或光學等操作的優勢，這樣有望帶來「柔性」或「可重構」的透鏡。

Strangi表示：「從16世紀開始我們就知道這項技術，我們相信它有望革新光學。到目前為止，一旦玻璃透鏡被塑造成剛性曲面，就只能以一種方式彎曲光線，除非與其他透鏡組合或者通過物理方式移動它。」

超構透鏡改變了這一點，因為它允許通過控制光線的相位、幅度和偏振來設計波陣面。

然而，大多數工程化的超構表面具有規定的幾何形狀，該幾何形狀已設計成可實現單個功能即沒有可修改的光學響應，缺乏對其光學特性的動態控制，並且限於無源光學元件。這對可能需要不同光學響應的潛在應用構成了障礙。通過施加外部刺激來實現光學材料可重構性的機會一直是光子學的長期目標。

第一作者Lininger表示：「超構表面目前應用所面臨的一部分問題是，它們的形狀在生產環節就已經固定，但是「通過實現超構表面的可重構性，可以突破這些限制。」」

近年來，已經進行了許多嘗試來設計可重配置系統，包括機械方法、熱方法和基於外部電壓的方法。

Giuseppe Strangi 在觀察超透鏡陣列

圖源：Case Western Reserve University

研究人員通過控制液晶liquid crystals(LCs)，讓這些新型超構透鏡向著新的科技方向發展，以產生可重構的結構光。LCs在外部刺激（例如電場、磁場、溫度、應變等）下會經歷導致LCs折射率變化的分子重新定向從而表現出刺激響應。

該研究採用傳統的夾層LC單元製造可重構光學器件，其中兩塊板之一塗有超表面。與涉及體積較大的LC單元的這些實現相反，這項工作中利用金屬元素的潤溼特性，以光學活性雙折射和粘彈性LCs代替平面納米結構之間的空氣。

這種實現方式允許控制金屬層中的相位和幅度分布，從而限制了鋪設在超構表面上方的厚LCs平板不可避免的光學變化。通過利用浸潤的LCs光學特性，可以顯著改變透射場，並進一步控制。

如圖6所示，團隊發現了向列型液晶在納米結構二氧化矽金屬平面的非平凡浸潤。他們通過利用納米力使液晶在這些微柱之間浸潤，從而使微柱以全新的方式塑造和衍射光線，即通過「調節」聚焦力來做到這一點。

圖6 金屬超表面液晶浸潤現象

圖源：PNAS (2020) 117:34, 20390-20396 (Fig.1, Fig. 2)

進一步地，研究團隊證明了浸潤後金屬元素光學響應的可測量變化。由於可以通過外部刺激來控制液晶的依賴於取向的光學特性，因此該技術可以潛在地實現金屬元素光學響應的動態控制（圖7）。

圖7 液晶浸潤超表面實驗和評估

圖源：PNAS (2020) 117:34, 20390-20396 (Fig.2, Fig. S1 )

最後，研究團隊利用超構表面的潤溼特性，使納米柱狀平面超構表面被各種向列液晶（NLC）浸潤。這種浸潤是通過競爭力的組合來解釋的，即毛細管力和阻力流體動力。由於LC是一種雙折射複雜流體，因此超表面的潤溼會引起局部和全局順序的折射率圖改變，進而改變透射電磁場的相位和幅度。

作者利用具有不同折射率和雙折射的三種向列型液晶實現了納米結構金屬表面的非平凡浸潤。觀察到每種液晶浸潤後金屬離子聚焦的顯著變化。這些光學變化是由於浸潤後圍繞金屬結構的局部折射率的改變而引起的。同時分析結果證實了光學實驗與有限差分時域求解（FDTD）仿真結果的定性一致性（圖8）。

圖8 超表面液晶浸潤光學性質和模擬分析

圖源：PNAS (2020) 117:34,20390-20396 (Fig.3, Fig. 5)

研究團隊通過利用液晶浸潤的超構表面並與方向有關的折射率的固有可調諧性相結合，證明了金屬系統在超構表面中實現動態可重構性的巨大潛力。

上述這些結果證實了結合浸潤的金屬元素的焦點FWHM的增加和Strehl比的降低，焦點距離的增加證明了通過浸潤不同有效折射率的LC可以顯著改變光學性能。充分表明浸潤過程中和浸潤後對LC取向狀態的控制對於超構表面的光學可重構性至關重要。LCs作為浸潤液體的主要優勢是完善的對準和取向控制方法。其中包括傳統的電壓和光場偏置方法，以及專為動態光對準設計的化學表面處理。這些有望成為將來在金屬系統中提供可重構光學特性的方法。

Strangi表示：「這只是第一步，然而使用這些透鏡有很多的可能性。我們已經在聯絡對這項技術感興趣的公司。」

Capasso將用液晶浸潤超透鏡的創意歸功於 Strangi，並表示這項創新代表朝著更偉大的目標邁出了一步。Capasso 表示：「我們用液晶可再生產地浸潤最先進的超構透鏡（由一億五千萬個納米級直徑的玻璃柱製成）以及顯著改變其聚焦特性的能力，預示著我所期待的振奮人心的科技未來將從可重構的平面光學中產生。」

通過元透鏡的光線被數百萬納米結構所聚焦

圖源：Capasso實驗室

縱觀Capasso研究團隊關於超構表面到超構透鏡的研究徵程，不難想像其中的坎坷與艱辛，但正是懷著一顆為人類為社會造福的心，秉承孜孜以求的科研態度才讓這十年的時間過得如此多彩，苦並快樂著。

當然，活躍在超構表面研究領域的還包括但不限於加州理工Faraon教授團隊、伯明罕大學張霜教授團隊、凱斯西儲大學Giuseppe Strangi教授團隊、美國西北大學Teri W. Odom教授團隊、哥倫比亞大學 Nanfang Yu 教授團隊、蔡定平教授團隊、南京大學祝世寧院士團隊以及復旦大學周磊教授團隊等都做出了十分重要的成果。感興趣的讀者可以移步品鑑。讓我們循著這些學術大咖的步伐，朝著光明而神聖的方向邁進，共同進步！

參考文獻

[1]"Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction." Science, 2011, 334.6054:333-337.

[2]"Aberration-free ultra-thin flat lenses and axicons at telecom wavelengths based on plasmonic metasurfaces."Nano Letters, 2012, 12(9):4932.

[3]"Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging."Science, 2016, 352.6290:1190-1194.

[4]"A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible." Nature Nanotechnology, 2018, 13:220-226.

[5]"Optical properties of metasurfaces infiltrated with liquid crystals." PNAS, 2020, 117(34):20390-20396.

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內容轉自：「中國光學」長光所Light中心 ，撰稿 | 鮮輝（中科院物構所 博士生），版權歸原作者所有。

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