哈佛大學科研團隊分享納米超材料薄透鏡在AR-VR上的潛在應用

原標題：哈佛大學科研團隊分享納米超材料薄透鏡在AR-VR上的潛在應用

多種顏色下的清晰圖像

（映維網 2018年04月27日）數個月前，哈佛大學保爾森工程與應用科學學院的研究人員在《Nature Nanotechnology》上發表了一篇關於超透鏡（Meta-Lens）的納米超材料透鏡，其能夠控制不同波長的光線聚焦，從而在輕薄透鏡形態下實現清晰的圖像。映維網也在1月份撰寫了《AR-VR光學新突破，單透鏡控制不同波長光速，哈佛大學研發納米超材料薄透鏡》的一文。日前，研究團隊在The Conversation中再次分享了這項技術和對VR/AR頭顯的應用。以下是映維網的具體整理。

如果佩戴VR頭顯或AR頭顯流行日來，硬體廠商將需要思考出令設備變得輕便，同時確保圖像清晰的方式。遺憾的是，這個任務在光學層面面臨著一個關鍵的限制：傳統透鏡是曲面玻璃對象，其會把不同波長的光線聚焦在不同的位置，從而導致模糊的影像。因此，無論是智能手機攝像頭還是大型投影儀，它們都會採用多透鏡設置，但這又增加了重量，厚度與複雜度，同時還提高了成本。

我們發現了一種生產完全透明，超級緊湊的透鏡的方法，其能夠合適地將光譜中的不同顏色光線聚焦在同一點。這是由於我們的透鏡包含專門設計的納米結構。我們將其稱之為「超透鏡（meta-lens）」。它具有超緊湊的優勢，同時能夠在更廣泛的光線範圍內提供更高質量的成像，無需多透鏡設置。

1. 彎曲光線

幾個世紀以來，望遠鏡，眼鏡和其他光學設備的大多數透鏡都是通過將玻璃研磨成粗糙的彎曲形狀，然後將其拋光以清晰地彎曲光線。但是，這種透鏡無法在將每種顏色的光線都聚焦在同一點上。

不同顏色或頻率在透鏡中以不同速度傳播是光的基本屬性。它們無法同時達到同一位置，這將導致圖像模糊。

不同頻率的光線在透鏡中的彎曲率與速度並不相同

為了減少這種影響，商業透鏡廠商構建了包含多個獨立透鏡的複雜光學設備，每個透鏡都精確研磨成曲線並進行對齊，從而將波長範圍內的光線都集中在恰當的位置。但最終如此配置將導致巨大，笨重且複雜的透鏡。這影響了VR頭顯的舒適性。

2. 納米結構的力量

為了替代這種巨大而昂貴的精密工程產品，我們從毫米厚的普通平板玻璃片入手。在它的上面，我們放置了一層精心設計的矩形納米結構。這種納米結構比玻璃層薄一百萬倍，由二氧化鈦製成，對可見光完全透明。

電子顯微鏡下觀察的納米結構

根據光線通過超透鏡位置與中心的距離，納米結構將以不同的角度來彎曲光線：距離越遠，彎曲角度越高。這樣將使得所有的光線都聚焦在相同的位置。為了將納米結構固定在玻璃基板上，我們採用了光刻技術，這是一種廣泛用於批量生產計算機晶元的技術。

在2016年，我們表明採用納米結構的平板玻璃可以聚焦一種特定的顏色光，其效果就如同傳統的曲面透鏡。但在那項研究中，我們遇到了與曲面玻璃一樣的老大難問題：每種顏色都聚焦在不同的位置。為了令我們的平板透鏡形成高質量的圖像，所有的光線（無論其顏色如何）都必須聚焦在同一點上。

3. 納入所有的顏色

在我們最新的研究中，我們設計了一套更複雜的納米結構，其即便是在平坦表面上也可以做得比傳統的彎曲透鏡更多。納米結構仍然是按照「離中心越遠彎曲角度越高」的方式來彎曲光線，但我們根據啟發進行了一項重要的修改。當光線離開超透鏡後，其必須穿行到離透鏡邊緣更遠，離透鏡中心更近的焦點。

超透鏡可以將所有顏色的光線聚焦在同一點上

要在相同的時間內穿行較長的距離，這一光線的傳輸速度必須更快。所以我們構建了一些可以更快傳輸光線的納米結構，以及一些傳輸速度更慢的納米結構。我們將傳輸速度更快的納米結構放在透鏡邊緣，所以光線通過它們的速度將比中間位置更快。這能有效地幫助來自變焦透鏡邊緣的光線追上中心發出的光線，從而令所有的光線聚焦在一起。

這種方法可以根據不同情況進行修改，從而可以實現具有廣泛屬性的超透鏡，如單純影響特定顏色的能力：定製設計的納米結構可以相對簡單地進行調整，不存在將彎曲玻璃透鏡拋光成高精確規格的限制或複雜性。

設計完成後，可以將超透鏡作為VR頭顯或AR眼鏡等設備的大規模生產流程中的一部分。它們也可以用於替代智能手機和筆記本電腦上更昂貴的磨砂玻璃攝像頭透鏡，從而減輕攜帶型設備的重量，厚度和成本。

數百年來多色聚焦的挑戰可以通過納米結構下的輕薄玻璃解決，這似乎看起來很不可思議。確實，超透鏡的實現方法可以提供傳統大型多透鏡配置所無法企及的優勢：多種顏色下的清晰圖像。

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