新型智能透鏡：可動態調節，實現複雜光學功能

導讀

據西班牙光子科學研究所官網近日報道，該研究所與法國巴黎視覺研究所的研究人員密切合作開發出一種動態可調諧的智能透鏡，它幾乎可以實現任何複雜的光學功能。

背景

移動設備上的攝像頭性能，已經被證明是大多數終端用戶所追求的特性之一。

（圖片來源：蘋果公司）

改善光學圖像質量的重要性，以及智能手機越來越薄的趨勢，迫使生產商們增加攝像頭的數量，舉幾個例子來說，可以為手機提供更好的變焦、低曝光高質量攝影、半身照。但是向小型化的光學裝置增加額外的透鏡，並驅動光線通過電子器件聚焦，並不像看起來那麼容易，特別是在小尺度上或者如此狹窄的空間中。

在毫米厚度的手機、微型顯微鏡或者醫療內窺鏡遠端集成可動態調節的變焦鏡頭需要複雜的透鏡組，這些透鏡可以處理全光譜，並在幾毫秒內用電改變形狀。迄今為止，一種稱為「液晶空間光調製器」的軟材料成為了高解析度光整形所選擇的工具，但是實現這種工具已經被證明受到性能、體積和成本的制約。

創新

近期發表在《自然光子學（Nature Photonics）》期刊上的一項研究中，來自法國巴黎視覺研究所（Institut de la Vision）的 Pascal Berto、Chang Liu、Gilles Tessier 與西班牙光子科學研究所（ICFO）教授 Romain Quidant 領導的研究人員 Laurent Philippet、Johann Osmond、Adeel Afridi、Marc Montagut、Bernat Molero 密切合作，演示了一項在沒有任何機械運動的情況下操控光線的可調節技術。

安裝在光學儀器顯微鏡中的智能透鏡示意圖（圖片來源：Marc Montagut）

技術

在這個創造「智能透鏡（Smartlens）」的新方案中，電流通過經良好優化的微米級電阻，局部地加熱，從而改變容納電阻的透明聚合物板的光學特性。如同海市蜃樓（光線通過熱空氣時發生折射創造出遙遠湖泊的幻象）一樣，這種微觀的熱區域能夠折射光線。

智能透鏡的示意圖（圖片來源：Marc Montagut）

在幾毫秒之內，這個簡單的聚合物板可以變成一個透鏡，也可以變回來。微米級的小型智能透鏡加熱與冷卻得非常迅速，且功耗很小。它們可以製造成陣列，論文作者們展示了利用位於每個物體前面的智能透鏡，即使場景是彩色的，也可以將位於不同距離的幾個物體在一幅圖像上聚焦。

通過對於熱擴散和光線傳播進行建模，並採用受自然選擇法則啟發的演算法，論文作者們展示了他們可以超越簡單的透鏡：一個設計得當的電阻能非常高水平地控制光線的形狀，並實現多種多樣的光學功能。例如，如果適當的電阻被壓印在聚合物板上，一塊聚合物可以隨意地「激活」或者「滅活」，以生成給定的「自由形狀」，並糾正我們視力中的特殊缺陷，或者光學儀器的像差。

價值

Romain Quidant 指出：「引人注目的是，這種智能透鏡技術是節約成本並可擴展的，已經被證明有望應用於高端技術系統以及面向終端用戶的簡單成像設備。」這項研究的成果為開發低成本的動態可調諧設備打開了一個新的窗口，這些設備將對於現有光學系統產生很大的影響。

關鍵字

成像、攝像頭、光學

參考資料

【1】Pascal Berto, Laurent Philippet, Johann Osmond, Chang Fran?ois Liu, Adeel Afridi, Marc Montagut Marques, Bernat Molero Agudo, Gilles Tessier, Romain Quidant. Tunable and free-form planar optics. Nature Photonics, 2019; DOI: 10.1038/s41566-019-0486-3

【2】http://www.icfo.eu/newsroom/news/4476-shaping-light-with-a-smartlens

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