大面積自適應「超透鏡」：未來有望製成「人造眼」

導讀

近日，美國哈佛大學約翰·保爾森工程和應用科學學院（SEAS）的科研人員開發出一種自適應超透鏡（metalens）。從本質上說，我們可以將它當成一種通過電子方式控制的平面人造眼睛。

背景

超穎材料（metamaterial），又稱「超材料」，是通過人工設計結構實現，具有天然材料無法具備的超常物理特性（例如：負磁導率、負介電常數、負折射率等）的複合材料。超材料是具有顛覆性意義的前沿技術領域，其應用領域包括：光纖、醫療、航空航天、感測器、雷達罩、雷達天線、聲學隱身技術、廢熱利用、太赫茲、微電子、吸波材料、全息技術等等。

在超材料的基礎上，科學家又進一步開發出超表面（metasurface）。它是由具有特殊電磁屬性的人工原子按照一定方式排列組成的二維平面結構，可實現對於入射光的振幅、相位、偏振等進行靈活的調控，具有強大的光場操控能力。

通過極薄的超表面，科學家又製作出了平面超透鏡（Metalenses ）。超透鏡最大優點就是：輕薄（其厚度是納米級的）和小型化，其功能大大超越傳統透鏡。超透鏡有望徹底顛覆傳統光學裝置中繁瑣的鏡頭組，使得手機、相機 、監控攝像頭都變得非常薄、非常小。

筆者曾介紹過超透鏡方面的研究成果，下面通過兩個典型案例回顧一下：

1）韓國基礎科學研究所（IBS）集成納米結構物理中心的科學家們與英國伯明翰大學、韓國科學技術院（KAIST）的科學家們合作開發出的具有可調功能的、信用卡般厚度的平面超透鏡。它由石墨烯和穿孔的金表面組成，可作為某些高級應用的光學組件使用，這些應用包括：振幅可調的鏡頭 、激光器（例如：渦旋相位板）、動態全息照相。

（圖片來源：參考資料【2】）

2）哈佛大學約翰·保爾森工程和應用科學學院（SEAS）的科學家團隊開發出首個超透鏡，它可以將整個可見光光譜（包括白光）聚焦到同一個點，並可以達到很高的解析度。

（圖片來源：Jared Sisler/Harvard SEAS）

創新

近日，美國哈佛大學約翰·保爾森工程和應用科學學院（SEAS）的科研人員開發出一種自適應超透鏡（metalens）。從本質上說，我們可以將它當成一種通過電子方式控制的平面人造眼睛。這種自適應超透鏡可同時控制構成模糊圖像的三個主要因素：焦距、散光、像移。

下圖顯示：超透鏡（由硅製成）位於透明彈性聚合物薄膜（沒有電極）上。這種彩色的虹彩由超透鏡中大量的納米結構產生。

（圖片來源：Capasso 實驗室 / Harvard SEAS）

下圖顯示：具有適應能力的超透鏡將光線聚焦到圖像感測器上。電信號控制超透鏡的形狀，產生期望的光學波前（紅色），從而帶來更好的圖像效果。未來，這種自適應超透鏡將內置到圖像系統中，例如手機攝像頭和顯微鏡，帶來小型化的平面自動對焦、同時糾正光學像差和進行光學圖像穩定處理的能力，所有這些控制都通過單個平面實現。

（圖片來源：Capasso 實驗室 / Harvard SEAS）

研究成果發表於《科學進展（Science Advances）》雜誌。哈佛大學技術開發辦公室已經對於這個項目的相關知識產權進行了保護。

這項研究的合著者包括：SEAS 電氣工程專業高級研究員、應用物理系教授、論文高級作者 Federico
Capasso，SEAS 的研究生、論文第一作者 Alan She，Shuyan Zhang 和 Samuel Shian。研究由美國空軍科學研究局和美國國家科學基金提供贊助。由美國國家科學基金支持的納米系統中心（CNS）也參與了部分研究工作。

技術

為了構造人造眼睛，首先研究人員需要按比例擴大超透鏡。之前，超透鏡的尺寸與一小片金蔥粉差不多大。它們聚焦光線，並通過密集的納米結構圖案消除球面像差，每個納米結構都比光線的波長更小。

She 說：「因為納米結構如此小，每個透鏡中的信息密度極高。如果你將100微米的透鏡變成厘米級的透鏡，那麼描述透鏡所需的信息將增加1萬倍。每當我們嘗試去擴大透鏡尺寸時，設計文件的大小將膨脹至吉位元組級甚至太位元組級。」

為了解決這一問題，研究人員開發出一種壓縮文件大小的新演算法，讓超透鏡可兼容現有的集成電路製造技術。最近，在發表於《Optics Express

》期刊的一篇論文中，研究人員描述了直徑達厘米級甚至更長的超透鏡設計和製造方法。

（圖片來源：參考資料【4】）

（圖片來源：參考資料【4】）

然後，研究人員需要將大型超透鏡連接人造肌肉，並且不影響它的聚光能力。在人眼中，睫狀肌圍繞著晶狀體，它可以拉伸或者收縮晶狀體，改變其形狀，調整焦距。Capasso 及其團隊與 SEAS 材料學教授 、介電彈性體致動器（人造肌肉）工程應用領域的先驅 David Clarke 展開了合作。

研究人員們選擇了一種薄薄的、透明的、低損耗介電彈性體連接在透鏡上。這樣一來，光線穿過材料時的散射會很小。為了這麼做，研究人員需要開發一個平台，用於將透鏡轉移和黏貼到柔軟的表面上。

Clarke 表示：「與半導體不同，彈性體幾乎每一天都會變化。因此，挑戰在於，如何結合它們的特性製造出一種新型多功能設備，特別是如何設計製造方案。1960年代中期，有人首次發明了掃描電子顯微鏡（SEMs）。因此，實現具有SEM功能的光學顯微鏡的一部分功能，例如實時像差控制，將非常令人振奮。」

施加電壓可以控制彈性體。當彈性體拉伸時，透鏡表面上納米柱的位置會改變。控制納米柱與它們鄰居之間的相對位置以及這些結構的總位移，將可以調諧超透鏡。研究人員也演示了這種透鏡可以同步調焦，控制散光和像移帶來的像差。

透鏡和人造肌肉的總厚度總共只有30微米。下一步，研究人員將進一步改善透鏡的功能，降低控制電壓。

價值

Alan She 表示：「這項研究將人造肌肉技術與超透鏡技術的突破性進展結合起來，創造出一種可調諧的超透鏡。它就像人眼一樣，可以實時調節焦距。我們更進一步地設計出動態糾正像差（例如：散光和像移）的能力，而人眼生來並不具備這些功能。」

Alan She 又說：「所有的光學系統（從攝像頭到顯微鏡和望遠鏡）都有多個組件，這些組件具有輕微的角誤差或者受到輕微的機械壓力，這取決於它們的製造方法和目前所處的環境，這樣也通常會引起少量的散光和其他像差，這些都可以通過自適應光學元件來糾正。自適應超透鏡是平面的，因此你可以糾正這些像差，將不同的光學功能集成到單個控制平面上。」

Capasso 表示：「這項研究展示了嵌入光學變焦和自動對焦的可行性，它可用於一系列領域，例如：手機攝像頭、眼鏡、虛擬現實和增強現實硬體。此外，它也有望用於未來的光學顯微鏡，這種顯微鏡將以完全電子的方式工作，可同時糾正許多像差。」

Capasso 表示：「這項研究有望聯合兩個產業：半導體製造和透鏡製造，製造計算機晶元的技術也同樣可用於製造基於超表面的光學元件，例如透鏡。」

關鍵字

超透鏡、超材料、半導體、光學

參考資料

【1】https://www.seas.harvard.edu/news/2018/02/researchers-combine-metalens-with-artificial-muscle

【2】Teun-Teun Kim, Hyunjun Kim, Mitchell Kenney, Hyun Sung Park, Hyeon-Don Kim, Bumki Min, Shuang Zhang. Amplitude Modulation of Anomalously Refracted Terahertz Waves with Gated-Graphene Metasurfaces. Advanced Optical Materials, 2017; 1700507 DOI: 10.1002/adom.201700507

【3】Alan She, Shuyan Zhang, Samuel Shian, David R. Clarke and Federico Capasso. Adaptive metalenses with simultaneous electrical control of focal length, astigmatism, and shift. Science Advances, 2018; 4 (2): eaa9957 DOI: 10.1126/sciadv.aap9957

【4】Alan She, Shuyan Zhang, Samuel Shian, David R. Clarke, Federico Capasso. Large area metalenses: design, characterization, and mass manufacturing. Optics Express, 2018; 26 (2): 1573 DOI: 10.1364/OE.26.001573

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