哈佛大学的平面超透镜消除色差，彻底改变虚拟现实

• 哈佛大学研究人员开发出超透镜，可以将所有可见光谱以高分辨率聚焦在一个特定点。
• 它使用二氧化钛纳米鳍，可均匀聚焦所有波长的光，消除色差。
• Metalens 开辟了一系列新的可能性，包括光刻、显微镜、内窥镜、虚拟和混合现实领域的应用。

超透镜是一种利用纳米结构聚焦光线的平面透镜。它完全有可能取代现有的厚曲面镜片。然而，它能够准确聚焦的光谱仍然有限。

哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院的研究人员创造了一种新的超透镜，它能够以高分辨率将所有可见光谱聚焦在一个特定位置。到目前为止，这只能通过堆叠两个或更多传统镜头来实现。

这使得研究人员在将薄透镜融入普通以及先进的光学设备（包括相机、增强和虚拟现实设备）方面又向前迈进了一步。让我们详细了解哈佛大学的研究人员是如何实现这一里程碑的。

障碍

将整个可见光谱（包括白色）聚焦在一点是非常困难的，主要是因为不同的波长以不同的速度穿过材料。例如，蓝光比红光传播得慢，因此这两种颜色会在不同时间到达给定点，从而使焦点不同并扭曲图像。这种畸变称为色差。

为了调整这些像差，所有光学设备都使用两个或多个厚度不同的曲面透镜，从而增加了仪器的体积。

超镜头和设计

与传统镜头相比，超透镜具有多种优势——易于制造、厚度薄且成本效益高。研究团队在整个可见光谱范围内利用了这些优势。

新的超透镜使用二氧化钛纳米鳍，可以均匀地聚焦所有波长的光，从而消除色差。为此，研究人员从之前的研究中汲取了一些想法，该研究表明，通过调整纳米鳍的宽度、高度、距离和形状，可以将不同的波长聚焦在给定点。

电子显微镜显示超透镜的侧视图，比例尺 – 200 nm |卡帕索实验室/哈佛海洋研究所

在新设计中，成对的纳米鳍同时控制不同波长的速度以及超透镜表面的折射率。这为穿过不同翅片的波长提供了可变的时间延迟，从而使所有光同时到达焦点。

纳米结构材料中的光速可以通过将两个纳米鳍合并成一个元件来调节。与消色差透镜相比，它显着降低了厚度和设计复杂性。

具体来说，该团队展示了 470 至 760 纳米范围内的衍射极限消色差聚焦和成像。新的超透镜仅包含单层厚度为波长量级的纳米结构，并且不涉及空间复用或级联。

相同的设计原理可以应用于电磁频谱的其他区域。实现具有更大直径和更大数值孔径的消色差超透镜需要由不同尺寸的纳米鳍的多种组合支持的更宽范围的群延迟。这可以通过不同的分散技术或简单地增加纳米鳍的高度来实现。

扁平超透镜|图片来源：Jared Sisler/Harvard SEAS

在这项研究中，二氧化钛纳米结构已被证明具有约 4.5 微米的高度，对应于约 37 飞秒（10−15 秒）的群延迟。

参考：《自然·纳米技术》| doi:10.1038/s41565-017-0034-6 | 哈佛海洋

超透镜的级联层可以进一步增加群延迟，从而为校正大视场内的单色像差带来额外的自由度。 Once 还可以将充当像差校正器的超透镜与折射球面透镜合并。

它看起来很有前途，因为人们能够同时校正球面镜头的色差和单色像差，同时利用更大的镜头光圈和较小的色焦距偏移的优势。

下一步是什么？

哈佛大学已经将该技术授权给一家初创公司进行商业开发，并保护了该项目的知识产权。

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目前的研究目标是将透镜的直径增加到 1 厘米，这可能会带来一系列新的可能性，包括光刻、显微镜、内窥镜、虚拟和混合现实中的应用。