虚拟现实|从超构表面到超构透镜，揭秘镜头的变革之路！( 三 )
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图源：Nano Lett (2012)12, 4932?4936
研究团队利用相位不连续性径向分布的超薄亚波长间隔V型纳米天线组成的超构表面的将光进行散射 ， 从而可以分别产生电信波长下的球形波阵面和无衍射贝塞尔光束 。然后研究团队利用精确控制每个单元结构来控制光的相位 ， 从而使光汇聚到一点 ， 即超构表面透镜 。超构透镜的特性取决于如何合理设计纳米单元的排列组合 。
研究团队基于等离子超构表面设计制造并演示了两个具有厘米级焦距的平面透镜和一个角度为β= 0.5°的轴镜 。即使在高数值孔径（NA）下也没有单色像差 ， 实验结果与使用偶极模型的分析计算非常吻合 。同时仿真结果也表明这种无像差设计适用于例如平面显微镜物镜等高数值孔径的透镜 。
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图2 平面透镜和轴镜设计制造原理以及聚焦实验和模拟仿真
图源：Nano Lett (2012) 12, 4932?4936 ( Fig.1, Fig.3 )
2016年 | 超构透镜荣登science封面
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图源：Science
从显微镜、数码相机、高带宽纤维光学到激光干涉引力波天文台（LIGO）的实验室设备 ， 透镜技术在各个尺度均取得了重要进展 。
2016年哈佛大学Capasso研究团队开发了一种高效、超薄（约一个波长）、超高分辨率的超构表面透镜 ， 可以将可见光汇聚到亚波长尺寸的光斑 。
该项重大突破性工作以“Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging”为题并以封面的形式发表在Science上 。这种超构表面透镜 ， 有望取代手机、显微镜、照相机等镜头 。
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图3 超构透镜设计和制造原理
图源：science (2016) 352 (6290): 1190–1194 ( Fig.1, Fig.S1 )
亚波长分辨成像一般需要高数值孔径（NA）镜头 ， 但这种镜头又大又贵 。而超构表面允许将常规折射光学器件小型化为平面结构 ， 因此高纵横比的二氧化钛亚表面可以被设计和制造为NA = 0.8的超构透镜 。
Capasso研究团队在405、532和660nm的波长处证明了衍射极限的聚焦 ， 相应的效率为86％ ， 73％和66％ 。
超构透镜可以分辨被亚波长距离分隔的纳米级特征 ， 并提供高达170倍的放大倍率 ， 其图像质量可与最先进的商业目标相媲美 ， 此外超构透镜还可以广泛应用于基于激光的显微镜、成像和光谱学 。
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图4 超透镜与Niko镜头可见光衍射极限对比及成像
图源：science (2016) 352 (6290): 1190–1194 ( Fig.2, Fig.4 )
同年 ， 该技术被science评为2016年度十大重大科技突破之一 。并被这样评论道：“玻璃透镜是人类最早期的高科技发明之一 。它们让伽利略能够看得到木星的卫星 ， 让列文虎克观察微生物 ， 让数以百万计的人可以更清楚地看这个世界 。但今天的透镜还在以与几个世纪之前同样的粗糙方式在生产 ， 通过打磨和抛光玻璃以及其他透明材料使其聚光且不产生色差 。现在 ， 透镜技术正在向前迈进一大步 。研究人员利用计算机芯片—模式技术制作了首批超级材料透镜或超构透镜 ， 它们能够聚焦整个可见光光谱 。因为超构透镜制造价格低廉 ， 比纸更薄 ， 而且比玻璃轻得多 ， 它们将为从显微镜到虚拟设备、相机（包括智能手机的相机镜头）等领域带来一场革命 。”
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