麻省理工打造無(wú)需物理移動(dòng)也能變焦的新型超透鏡

據外媒報道，照相機已經(jīng)存在很長(cháng)時(shí)間，使用拋光玻璃作為鏡頭的時(shí)間則幾乎跟它們出現的時(shí)間一樣長(cháng)。在拋光玻璃鏡頭，一個(gè)精確的曲率允許鏡頭聚焦光并提供攝影師銳利的圖像。如果想要改變焦點(diǎn)，通常需要透鏡通過(guò)傾斜、滑動(dòng)或通過(guò)機械部件進(jìn)行物理移動(dòng)來(lái)實(shí)現。

然而這些機械部件增加了顯微鏡和望遠鏡的復雜性和體積。對此，MIT的工程師們開(kāi)發(fā)出了一種新型的可調金屬，它可以在不改變物體物理位置或形狀的情況下聚焦于多個(gè)深度的物體。鏡頭不是玻璃做的，相反，它使用的是一種透明的相變材料，可以在加熱時(shí)重新排列原子結構。

當它重新排列原子結構時(shí)，材料跟光相互作用的方式也發(fā)生了變化。MIT的研究人員使用微小而精確的圖案結構蝕刻出這種材料的表面從而形成一種以獨特方式折射或反射光線(xiàn)的超表面。當材料的性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，超表面的光學(xué)函數發(fā)生變化。

在MIT的應用中，當材料處于室溫時(shí)，它會(huì )聚焦光線(xiàn)以在一定距離內產(chǎn)生物體的清晰圖像。當材料被加熱時(shí)，原子結構會(huì )發(fā)生變化從而使超表面將光線(xiàn)重定向到更遠的物體上。這使得超透鏡無(wú)需任何笨重的機械元件就可以調焦。

目前，MIT的超透鏡可以在紅外波段成像并可以用于制造光學(xué)設備如用于無(wú)人機的微型熱透鏡、用于手機的超緊湊熱透鏡及低損耗夜視鏡。MIT的研究人員稱(chēng)，他們的發(fā)明能夠在不同的深度實(shí)現無(wú)像差成像的重疊物體定位，進(jìn)而可以跟傳統和更龐大的光學(xué)系統展開(kāi)競爭。

材料調整

新鏡頭由相變材料制成，研究團隊通過(guò)調整可擦寫(xiě)CD和DVD中常用的材料來(lái)制造。它被稱(chēng)為GST，它包含鍺、銻和碲，其內部結構在被激光脈沖加熱時(shí)會(huì )發(fā)生變化。這使材料可以在透明狀態(tài)和不透明狀態(tài)之間進(jìn)行切換，這種機制使CD中存儲的數據能夠被寫(xiě)入、擦除和重寫(xiě)。

今年早些時(shí)候，研究人員報告稱(chēng)，在GST中添加了另一種元素硒，以制造新的相變材料：GSST。當他們加熱新材料時(shí)，其原子結構從無(wú)定形、無(wú)序的原子纏結轉變?yōu)楦行虻木w結構。這種相移還改變了紅外光穿過(guò)材料的方式，影響了折射能力，但對透明度的影響卻很小。

該團隊想知道，是否可以調整GSST的開(kāi)關(guān)功能以根據其相位將光引導和聚焦在特定點(diǎn)上。這樣，這種材料就可以用作主動(dòng)透鏡，而無(wú)需機械部件來(lái)轉移其焦點(diǎn)。

Shalaginov說(shuō)：“通常，當制造光學(xué)器件時(shí)，要在制造后調整其特性非常困難?！?“這就是為什么擁有這種平臺對于光學(xué)工程師來(lái)說(shuō)就像是一個(gè)核心要素，從而使超透鏡可以在很大范圍內有效地切換焦點(diǎn)?！?/p>

面臨困難

在傳統的鏡頭中，玻璃是精確彎曲的，因此入射光束會(huì )以各種角度折射離開(kāi)鏡頭，并會(huì )聚在距離一定距離的點(diǎn)處，這就是鏡頭的焦距。然后，透鏡可以在該特定距離處產(chǎn)生任何物體的清晰圖像。要對不同深度的物體成像，必須物理移動(dòng)鏡頭。

研究人員不希望依靠材料的固定曲率來(lái)引導光，而是希望通過(guò)改變焦距隨材料相位變化的方式來(lái)修改基于GSST的金屬元素。

在他們的新研究中，他們制造了一個(gè)1微米厚的GSST層，并通過(guò)將GSST層蝕刻成各種形狀的微觀(guān)結構，以不同方式折射光來(lái)創(chuàng )建“超表面”。

顧說(shuō)：“構建超表面的過(guò)程非常復雜，需要在不同的功能之間進(jìn)行切換，并且需要明智地設計使用哪種形狀和圖案?！?“通過(guò)了解材料的行為方式，我們可以設計一種特定的圖案，該圖案將集中在非晶態(tài)的一個(gè)點(diǎn)上，并轉變?yōu)榻Y晶相的另一個(gè)點(diǎn)?！?/p>

研究人員通過(guò)將新的超透鏡調諧至紅外光帶的激光束對其進(jìn)行測試，在鏡頭前方一定距離處，放置了透明物體，該物體由水平和垂直條的雙面圖案（稱(chēng)為分辨率表）組成，通常用于測試光學(xué)系統。

透鏡在其初始非晶狀態(tài)下產(chǎn)生第一圖案的清晰圖像。然后加熱鏡片，將材料轉變?yōu)榻Y晶相。在移除加熱源的情況下，鏡頭產(chǎn)生了同樣清晰的圖像，這次是第二組更遠的條紋。

Shalaginov說(shuō)：“我們演示了在兩個(gè)不同深度的成像，沒(méi)有任何機械移動(dòng)?！?/p>

實(shí)驗表明，超透鏡可以在沒(méi)有任何機械移動(dòng)的情況下主動(dòng)改變焦點(diǎn)。研究人員說(shuō)，可以用集成的微型加熱器制造超透鏡，從而以短毫秒的脈沖快速加熱材料。通過(guò)改變加熱條件，可以調諧到其他材料的中間狀態(tài)，從而實(shí)現連續的焦點(diǎn)調節。

Shalaginov解釋說(shuō)：“這就像做牛排，可以做成幾分熟到十分熟，也可以做成介于兩者之間的其他任何熟的程度?！?“將來(lái)，這個(gè)獨特的平臺將使我們能夠任意控制這種超透鏡的焦距?！?/p>