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基于光衍射原理的光学元件与未来影像光学技术漫谈

导语

近日,有科学家团队开发出了首个可以聚焦整个可见光光谱(包括白光)的单镜头,该镜头能将光线聚焦到同一个点,并可以达到高分辨率。高精尖创新中心智能影棚方向研究员王也来为大家解读一下这种新技术以及它的前景。


目前,一种利用超表面(metasurface)对光场进行控制的技术吸引了很多影像光学以及光学镜头设计工作者的注意,因为超表面强大的光场操控力,同时又是一种极薄的材料,可以制作成超薄的平面超透镜。一个典型的例子是来自哈佛大学的团队利用这一原理实现的超透镜技术:他们用单个超透镜(厚度与波长在同一量级)聚焦了 470nm 到 670nm 波段的光,近乎涵盖了整个可见光谱的中心波段,而且达到了高分辨率、无色散的神奇效果。


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来源:Jared Sisler/Harvard SEAS


我们知道,所有用于成像的光学镜头都是由各种各样的设计好优良参数的透镜及反射镜组合而成,而的传统镜片必须经过手工精心打磨,透镜曲率、厚度、折射率或组装过程中的任何误差都会严重影响镜片的性能。然而这种新型的超透镜只有一个生产步骤,并且无需经过繁复的组装过程,与复合标准消色差透镜相比,这样的镜片的厚度和设计复杂度都显著降低。


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传统的光学镜头由各种参数的镜片组成



技术发展历史及原理


传统影像光学中镜头中最重要的光学器件如透镜,反射镜及棱镜都是基于光的反射与折射特性的。这种新的超表面的技术之所以成为热点,是与以往的光学元件有本质的不同,这种表面以微小浮雕形式存在的衍射光学元件,是基于光的衍射原理工作的,20世纪70年代集成电路的革命性发展,促进了光波长级别的衍射器件得以设计生产并实际应用。


光学与电子束光刻技术的发展,允许在抗蚀材料上生成高分辨率的复杂条纹。干法刻蚀技术使得通过具有精细线条纹与尖锐边缘的表面浮雕来控制相位成为可能。金刚石切削机器与激光写入技术的进展为构造高精度的衍射光学器件提供了新的途径近年来,商业化的基于晶片的纳米加工技术,为一种新的光学器件的产生提供了可能—亚波长光学器件(SubwavelengthOpticalElement,SOE)。


由于具有比光的波长小很多的结构,光与具有非常精细表面结构的器件的相互作用的物理过程,产生了一种新的光处理函数的重组分布。与现有的许多技术相比,这种新的分布具有更高的密度、更高层的整合性,能够从根本上改变现有的光学系统设计。


在设计理论上,纳米尺度衍射器件需要按照严格衍射理论来计算,这种器件在物理学需严格地应用麦克斯韦方程的边界条件来描述光与该结构的相互作用。例如,在通信使用的980nm~1800nm的光波和可见光成像的380nm~780nm范围内,要求这种器件的微观结构尺寸在几十到几百纳米的级别。在这种尺度的情况下,将会出现单电子或者量子效应。在过去几十年,亚波长结构作为纳米衍射光栅,其与入射光产生互作用尽管这种光学效应近年来已有研究,但是这种光学器件昂贵的工业制造尚难以实现。在实验环境中构建亚波长光栅结构需要高能技术,例如,电子束(E-beam)平版印刷术E-beam设备现在能够产生直径5~10nm的点,因此,能够曝光线宽在0.1μm或100nm的条纹。


另外新的技术,如基于微电机械系统(MicroelectroMechaniealSystem,MEMs)的微镜,允许在光路外进行光学开关控制,由此电子与光学参数才能够独立地进行调整以实现全局最优。针对这些器件衍射的研究对于新系统、新技术的发展也将同样重要。


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平面型透镜


如果一个成像系统的源场(光场、电磁场)具有空间相干的特性,则该源场被称为相干场,同时可以被描述为复振幅的空间分布。例如,全息就是一种相干成像技术。如果不具有空间相干性,则被称为非相干场,可以被描述为实数亮度值的空间分布。激光与微波通常代表相干成像的源场,因此,傅里叶变换与衍射对于理解成像非常重要。太阳光通常代表非相干光源,非相干成像同样可以用傅里叶技术进行分析许多现代计算机成像技术在图像重构过程中严重依赖傅里叶变换及相关的计算算法,如成孔径雷达、投影重构图像(包括CT、磁共振成像、共焦显微镜、共焦扫描显微术等),属于此类技术。


衍射孔径的尺寸与入射波波长相差不大时,标量衍射理论是成立的。通常这种条件下模型也比较简单。近些年,设计和生产越来越小的设备成了一个重要的方向,同时随着越来越复杂的几何构型和材料属性的需求,需要尺寸具有一个波长或小于一个波长量级的射光学元件。然而,在这个尺寸范围内,标量衍射理论是不够精确的,很难得到准确的解析结果。复杂的模型需要一些更新的计算方法,为此发展出了一些新的方法。其中种是基于有限差分的数值方法,另一种方法是基于傅里叶级数的傅里叶模式分析法,第三是利用有限元方法求解有边界条件的麦克斯韦方程。



技术展望


综合来看,相较于复合的消色差透镜,利用这项新技术可以极大地减小透镜厚度和设计复杂度,利用超薄的单个超透镜就能解决了光在传播过程中的色差问题,并且,利用这个新型的消色差透镜,能够实现高质量的白光成像,有望应用到影像光学仪器中。这项研究成果也被认为具有极大的商业潜力,例如使虚拟现实与增强现实相关设备实现轻量化,促进行业的进一步发展。


目前这一技术还需要在成像分辨率、透镜口径方面做进的一步的提高,未来如果能与已经非常成熟的折射光学元件混合进入到光学设计中,将会成为下一代光学镜头以及新型照明灯具的一个新科技。


参考文献:

1.     衍射,傅里叶光学及成像,蒋晓瑜,闫兴鹏译,机械工业出版社。2016.

2.     Diffraction,FourierOptics and Imaging, Okan K.Ersoy,John Wiley & Sons 2007

3    https://phys.org/news/2018-01-metalens-focuses-rainbow-possibilities-virtual.html;

4    https://doi.org/10.1038/s41565-017-0034-6;

5.     https://www.seas.harvard.edu/news/2018/01/single-metalens-focuses-all-colors-of-rainbow-in-one-point

6.     Teun-Teun Kim, Hyunjun Kim, Mitchell Kenney, Hyun Sung Park,Hyeon-Don Kim, Bumki Min, Shuang Zhang. AmplitudeModulation of Anomalously Refracted Terahertz Waves with Gated-GrapheneMetasurfaces. Advanced Optical Materials, 2017;1700507 DOI: 10.1002/adom.201700507