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超透鏡 or 衍射透鏡：取道中庸
近來(lái)，新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授課題組提出了單層矯像差平面透鏡(Single-layer aberration-compensated flat lens, SLAC flat lens)用于廣角成像。此單層矯像差平面透鏡汲取了超透鏡與衍射透鏡兩家之長(zhǎng)，既有超透鏡的超薄厚度又有衍射透鏡的簡(jiǎn)單加工，在手機(jī)鏡頭和顯微成像等多個(gè)領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。
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| 圖1(a)、(b)、(c)分別是平凸透鏡、雙層超透鏡和單層矯正像差平面透鏡聚焦示意圖；(d)為單層矯正像差平面透鏡納米結(jié)構(gòu)示意圖；(e)為單層矯正像差平面透鏡光學(xué)顯微圖；(g)為單層矯正像差平面透鏡與米尺對(duì)比圖；(f)和(h)分別為電子掃描顯微圖及放大視角；(i)為基于單層矯正像差平面透鏡的顯微鏡照片 |
由于超透鏡在重新定義光學(xué)產(chǎn)業(yè)方面潛在的革命性價(jià)值，其近年來(lái)很受追捧。同時(shí)，由于超透鏡的超薄特性和高性能，超透鏡已經(jīng)成為微型化光學(xué)系統(tǒng)方面的突破性技術(shù)。廣角成像在微型化光學(xué)系統(tǒng)中至關(guān)重要，為了增大視場(chǎng)，加州理工大學(xué)Faraon課題組和哈佛大學(xué)Capasso課題組通過(guò)兩個(gè)超透鏡級(jí)聯(lián)的方式分別演示了厚度為1 mm和0.5 mm的可廣角成像的雙片超透鏡組。這類雙片超透鏡組有自己的局限：首先，這類雙片超透鏡不能很好利用超透鏡超薄的特性，毫米級(jí)的厚度會(huì)阻礙其在片上的應(yīng)用；其次，費(fèi)時(shí)而昂貴的電子束曝光加工方式極大地阻礙了其大規(guī)模量產(chǎn)的可能性；后，亞微米級(jí)的對(duì)準(zhǔn)精度魯棒性差，這也是另一個(gè)阻止其大規(guī)模量產(chǎn)的原因。另一方面，使用量產(chǎn)級(jí)光刻加工的多層衍射透鏡也用于演示軸上矯正色差聚焦和大景深傍軸成像等應(yīng)用。
超透鏡有著波長(zhǎng)級(jí)別超薄厚度、媲美傳統(tǒng)透鏡的性能和可偏振操作等優(yōu)勢(shì)，但超透鏡也有加工昂貴而費(fèi)時(shí)、難以做大口徑和不適宜量產(chǎn)等缺陷。另一方面，多層衍射透鏡可用微電子工業(yè)常用的灰度光刻套刻大批量生產(chǎn)、可做厘米級(jí)大口徑平面透鏡加工，但其微米級(jí)別乃至數(shù)百微米的厚度不能做到真正意義上的超薄，極大限制了其在微型化光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用。如何取超透鏡與衍射透鏡二者之長(zhǎng)，避二者之短而取道“中庸”成為平面透鏡領(lǐng)域一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
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| 圖2(a)、(b)、(c)、(d)分別是單層矯正像差平面透鏡遠(yuǎn)場(chǎng)成像圖、遠(yuǎn)場(chǎng)成像中心放大圖、USAF-1951顯微放大圖和羽毛顯微放大圖。 |
本次新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授課題組和中山大學(xué)李朝暉教授課題組取超透鏡和多層衍射透鏡兩家之長(zhǎng)，提出并演示了廣角成像的、微米級(jí)厚度、可定制/可批量生產(chǎn)的單層矯像差平面透鏡。單層矯像差平面透鏡的主要優(yōu)勢(shì)如下：1）通過(guò)融合兩層納米環(huán)結(jié)構(gòu)，單層矯像差平面透鏡做到了波長(zhǎng)厚度、毫米級(jí)口徑、全視場(chǎng)32°矯像差成像；2）單層矯像差平面透鏡通過(guò)雙光子3D打印加工，兼具可量產(chǎn)和可定制的特性；3）單層矯正像差，避免了雙層超透鏡的對(duì)準(zhǔn)難題。該微型化平面透鏡在遠(yuǎn)場(chǎng)成像和顯微成像領(lǐng)域有多種應(yīng)用，圖2分別是單層矯像差平面透鏡的遠(yuǎn)場(chǎng)成像和顯微成像效果圖。
該成果近期以“Single-layer aberration-compensated flat lens for robust wide-angle imaging”為題在線發(fā)表在《激光與光子學(xué)評(píng)論》(Laser & Photonics Reviews doi.org/10.1002/lpor.202000017)上。新加坡國(guó)立大學(xué)郝成龍博士、暨南大學(xué)高社城教授、深圳大學(xué)阮琦鋒博士為共同第1作者。新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授和中山大學(xué)李朝暉教授為論文的共同通訊作者。相關(guān)研究得到了新加坡CRP計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。
原文引自“兩江科技評(píng)論”公眾號(hào)。
上海復(fù)享光學(xué)股份有限公司（簡(jiǎn)稱：復(fù)享光學(xué)）誕生于中國(guó)的高校實(shí)驗(yàn)室，是一家高科技型光譜儀器公司。公司為科學(xué)家和工程師提供光譜產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)。“讓光譜簡(jiǎn)單"是公司發(fā)展理念，“光譜改變生活”是公司的愿景。
公司專注光譜儀器發(fā)展超過(guò)八年，于2016年登陸新三板（NEEQ:838781）。公司位于復(fù)旦大學(xué)科技創(chuàng)業(yè)園，目前擁有約40名高學(xué)歷工程師。