虚拟现实|从超构表面到超构透镜，揭秘镜头的变革之路！( 四 )
2018年 | 无色差超构透镜进军AR/VR领域
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图源：三星 VR
虽然现代AR和VR头显设备在体积和重量上都有所减小 ， 但由于光学技术原因又使得这项工作变得困难 。头显所用的镜片需要聚焦整个可见光谱和白光 ， 但每个光的波长不一样 ， 于是这个问题就变得棘手 。
哈佛大学研究人员John A. Paulson认为他们已经找到了解决这一难题的办法 ， 即使用超构透镜并首次被发现能够处理整个可见光范围 。
不过 ， 在2016年时 ， 这项技术还有一个巨大的 ， 也是最难的挑战 。那就是修正色度色散——不同波长的光集中在不同距离的镜头的现象 ， 也就是可以将不同的光集中在一起 ， 却可以不在一样的距离 。为此 ， 研究人员在metasurfaces的基础上 ， 优化了纳米柱的形状、宽度、距离和高度 。
研究团队使用二氧化钛创造的纳米级的平滑和高宽比纳米结构构成了该超构透镜的心脏 。并以此设计了2D纳米级金属天线阵列——超构表面利用平面上无数的小光学元件达到折射的目的 。
超构表面的设计让超构透镜具有了高数值孔径 ， 这意味着它可以把光聚焦在比波长更小的地方约400nm 。聚焦的光越紧密、焦点越小 ， 图像的分辨率也就越高 。在这样的尺度下 ， 超构透镜能够提供比任何一个国家的艺术商业镜头更好的焦点 。
Capasso研究团队在2018年开发出了首个可以将整个可见光谱（包括白光）以高分辨率聚焦在同一个点上的单一透镜 。这在传统透镜中只能通过叠加来实现 。该项突破性研究以题为“A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible”发表在Nature Nanotechnology上 。
它使用了二氧化钛纳米薄膜组来平均聚焦光的波长并消除色差 ， 用简单扁平的表面来取代目前光学器件中使用的庞大弯曲透镜势必将引发一场光学革命 。
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图源：Harvard University
聚焦整个可见光谱和白光（所有光谱颜色的组合）非常具有挑战性 ， 因为每个波长都会以不同的速度穿过材料 。所以两种颜色将不能同时到达相同的位置的这种差异导致了焦点不同 ， 并产生了被称为色差的图像失真 。相机和光学仪器使用了不同厚度和材料的多个曲面透镜来校正这些色差 ， 当然这也加大了设备的体积 。
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图源：Harvard University
超构透镜是一个单平面透镜 ， 相比于16年只能收集从红到蓝的可见光光谱 ， 新的超构透镜可以将整个可见光光谱（包括白光）集中在同一位置 ， 并在高分辨率下聚焦 。这在传统的镜片上是通过堆叠多个镜片来实现的 。同时 ， 超构透镜还有一个巨大的优势 。正常的镜片必须用手精确抛光 ， 而且任何装配中发生的误差都会使透镜的性能下降 。而超构透镜只需要一个单一的步骤——一层光刻就可以了 。这样就简单的获得了一个高性能的镜头 。
在这个设计中 ， 研究人员建立了配对纳米膜 ， 用来同时控制不同波长光的速度 。
配对纳米膜可以控制超构表面上的折射率 ， 同时通过将两个纳米膜结合成一个元素 ， 来协调不同时间延迟的光线通过不同的纳米膜 ， 确保所有波长的光同时到达焦点 。他们通过使用一组二氧化钛纳米纤维来均匀聚焦不同波长的光线并消除色差 ， 而不用像传统镜头那样需要叠加多个不同曲度和厚度的镜片才能将整个可见光光谱聚焦于一点 。
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