一种新的超薄平面镜片

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每天我们都能看到各种各样的镜片,从戴在眼睛上的到罩在相机前的。一般来说,镜片靠曲面的形状来弯曲、聚焦光线。但在越来越小的消费电子产品和光纤系统中,这种类型的镜片占据的空间实在太大。在过去几年里,科学家们一直在研究更小更平的镜片,在减小体积的同时达到同样的效果。目前看来,至少一直呼声甚高的微型镜片并没能达到人们的期望。

加利福尼亚理工学院的工程师们打造了一种平的显微镜面,达到了普通的弯曲镜面所能达到的效果。这些镜片可以被芯片厂商用业界标准技术来制造,也就是说已经有了大幅量产的条件。

“我们今天用的镜片都太笨重了。”工程和应用科学部门的高级研究员以及这篇论文的主要作者 Amir Arbabi 说:“我们选择的这种平面镜片的结构,能让之前一些不可行的的应用成为可能。”

这项研究由应用物理和材料科学助理教授 Andrei Faraon (04级学士) 带队,成果发表在了『自然通信(Nature Communications)』的5月7号刊上。

这种新的镜片类型是高对比传输阵列,由硅制成,厚度为百万分之一米,大概是人一根头发直径的百分之一,上面镶满了不同尺寸的硅制凸起。当在电子显微镜下放大后,整个镜片就像森林,不过没有树叶,只剩下了树桩(硅制凸起)。由其不同的厚度和高度,决定了这些凸起能聚焦在不同的颜色或者不同波长的光线上。

(a) Schematic of the aperiodic high contrast transmitarray lens used to realize a high-NA micro-lens. (b) Optical microscope image of a fabricated high contrast transmitarray lens lens with large NA. Scale bar, 100 μm. (c,d) Scanning electron microscope images of the silicon posts forming the high contrast transmitarray lens micro-lens. Scale bars, 1 μm. Credit: Nature Communications Read more at: http://phys.org/news/2015-05-thin-flat-lenses-focus-sharply.html#jCp
(a) Schematic of the aperiodic high contrast transmitarray lens used to realize a high-NA micro-lens. (b) Optical microscope image of a fabricated high contrast transmitarray lens lens with large NA. Scale bar, 100 μm. (c,d) Scanning electron microscope images of the silicon posts forming the high contrast transmitarray lens micro-lens. Scale bars, 1 μm. Credit: Nature Communications

一个镜片聚焦到光线或者形成一个图像,需要让光线在通过镜片不同部位时,延迟不同的时间。在弯玻璃镜片中,光线通过厚的部位花的时间比薄的部位要长。而在这种扁平的镜片上,这种延迟是通过上面各种凸起来达到的,其延迟由这些凸起的直径来决定。因此,只要你把不同尺寸的凸起小心地放在镜片上不同的地方,制造者就可以让光线往设计的路径上走,形成弯曲的波阵面,得到一个紧凑的聚焦点。

研究者们还发现这种镜片能让82%的红外射线穿过它。相对的,之前研究显示平面金属镜片的效率只有百分之个位数,造成如此凄惨的透射率的原因一部分是因为材料会吸收入射光。

尽管曲面镜片能让100%的光线聚焦到焦点上,它们往往需要复杂的设计以及非标准球状曲率的光滑曲面,比较难以制造打磨。而这种平面镜片的设计可以随着应用的需要做出相应的更改,改动的就是硅制凸起的位置。这种灵活性让其商业和工业应用一下子大多了。

总得有局限性吧。是的,这种平面镜片的一个关键局限就在于其只能聚焦某类波长的光线,可能是光谱上的一个狭小范围。这种单色镜片可以在一些地方得到应用,比方说夜视镜等。更大一点,它们可以被用在各种和镭射相关的设备中,因为镭射只发射单色光线。

多个单色镜片能在一起得到彩色画面,这和电视、电脑的显示器采取三原色的方式类似。由于这些微型镜片足够小,比起目前摄像机和显微镜的镜片占的空间还是要小很多的。

尽管镜片目前生产起来成本还是有点高,但还是可能通过影印石板术和纳米压印光刻技术来进行大批量生产的。在这些目前已经相当普遍的工业制造技术中,一个印记被压制到聚合物中从而得知需要的凸起排布,再在等离子中通过硅干法蚀刻把这个凸起排布刻印到硅上。

“对于消费级应用,目前的成本还有点高,但其品质已经达到要求了。一旦量能上去,成本就会马上下来。”Faraon 说道。

论文标题是“通过高对比传输阵列得到的厚度小于波长、高数值孔径、高透光率的镜片(Subwavelength-thick lenses with high numerical apertures and large efficiency based on high-contrast transmitarrays)”


Via:Phys

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