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有望彻底颠覆传统光学!两岸合作研发“超透镜”

北极蚊子 2017-8-25 14:54

《科学》杂志在 2016 年公布的十大重大科技突破中,除了 AlphaGo 战胜人类围棋高手外,还有一项被称为超材料(Metamaterial)镜头的技术同样引起了极大关注。

不同于当前利用玻璃材料做出像人眼一样有球面、曲面的镜头,科学家们利用纳米光学结构对光进行控制,让进来的光投射到它该在的地方。而这项有望彻底颠覆传统光学的技术就是——超透镜(Metalens)。

图丨登上《科学》的超透镜

透镜是光学仪器的关键零件,从眼镜、相机、显微镜到望远镜等都使用了许多透镜。传统透镜是以玻璃或其他透明材料制成,具有弯曲的表面以及固定的焦距,比如凸透镜会聚光,并将物体放大;凹透镜使光发散,并产生缩小的影像。生活中常使用的相机是由许多透镜组合而成,才能解决色散或像差的问题,有好的成像品质,所以相机镜头的体积都偏大,单反镜头又比手机镜头更大。

但与传统透镜相比,超透镜最大的优点就是体积非常微型化,小到人的肉眼都难看见,而且超透镜所能实现的功能远超传统透镜。一般来讲,只需要一片超透镜就可以取代相机中的透镜组,若是想要打造可辨识焦距的镜头,搭配两三片超透镜使用也能达成。

因为超透镜的厚度是在纳米级,尽管用了许多片,但对使用者来说,可能都不会感觉到它的存在。所以拿超透镜来做各式应用,例如手机、相机的镜头或是马路上或公司里的监视器镜头都会变得很小,甚至是薄如一张纸,一旦镜头小了,这些产品的总体积自然可以变得轻量化。

图丨略显笨重的VR设备

目前的 VR 头显往往遭人诟病过重,使用体验有待改进,因此 Google 就对超透镜相当感兴趣。此外,得益于关键元件的缩小,设计人员未来在设计产品时也能开发出更多有创意、新颖的造型。

另外,超透镜除了可见光之外,还适用于传统透镜无法使用的光谱下,例如红外光、紫外光等。在战争电影中,我们可能都看过一个画面,当军人进入黑暗的山区或民宅里,会戴上一个特殊的夜视仪,多是使用红外线把目标转化成为可见光,人眼才看得到。而超透镜可以在红外光下使用,因此军事应用也是日后超透镜可以发展的一个领域。

图丨军用夜视仪

过去,超透镜的应用未能普及的主要原因就是色散。不过,台湾的“中央研究院”(简称“中研院”)、台湾大学以及大陆的南京大学三方携手,开发出的“集成共振单元”进一步解决了超透镜的色散问题。

借助这项技术,不论是相机、智能手机上的镜头都可以大幅缩小,更可能让如索尼、佳能的传统镜头厂商业绩大幅流失。

科技巨头趋之若鹜

台湾上市公司“股王”大立光是苹果最重要的镜头模组供应商,正当苹果供应链为量产 iPhone 8 忙得不可开交的时候,大立光 CTO 黄有执却忙里偷闲,领着一位研发主管进入“中研”院探刺军情。

“大立光来谈有没有合作机会,他们很关心可不可能量产、成本价格多少。三星、Google、微软同样非常关注,看看是不是可以用在手机、VR头显、HoloLens 上。”中研院应用科学中心主任蔡定平在接受 DT 君独家采访时透露。

图丨台湾中央研究院应用科学中心主任蔡定平(右)与南京大学介电体超晶格实验室专职研究人员王漱明(左)(图片来源:詹子娴)

为什么这项技术能让大立光如此紧张?甚至吸引全球科技巨头们的目光?这要先从一篇在 8 月初发表于《自然通讯》(Nature Communications)的论文谈起。蔡定平与台湾大学电机系管杰雄教授、南京大学介电体超晶格实验室专职研究人员王漱明合作,利用自创的“集成共振单元”研发出宽频、且能消除色差的超透镜(Achromatic Metalens),并在美国和台湾取得专利。

如果“消色差超透镜”听起来令人摸不着头绪,那就得先了解一下超材料(Metamaterial)、超表面(Metasurfaces)。

简单来说,超材料是发展仅有十多年的新领域,是一种人造材料,利用金属线圈、导线、开口环式谐振器(Split-Ring Resonator,SRR)等人为的方式创造对电场及磁场的反应,所以具有一般自然物质没有的电磁特性。

正是因为超材料的性质不是由构成的材料决定,而是取决于人工结构,所以在人为设计、控制的情况下,就能以全新的方式对光进行折射和操控,进而创造多种不寻常的光学效果,例如负折射、相位全相片、超级透镜等,甚至是科幻小说里的隐形斗篷。

图丨隐形斗篷

随着超材料发展及演进,科学家大约在 2011 年左右开始进一步研究超表面超表面是一种极薄的超材料,由不同几何形貌的纳米金属结构分布所构成,运用纳米科技精准的控制光,可以让透镜变成非常小的平面。再说得更简单一点,超材料跟超表面都是基于纳米科技而生,如果超材料是一块铁砖,那超表面就是一片铁皮。

众所周知,透镜是光学应用的基础,在日常生活中被广泛应用,包括相机、眼镜、显微镜等。而传统透镜对不同波长的光有不同的折射率,所以无法把各种色光聚焦在同一点上,于是就产生了“色差”,会模糊成像效果。

图丨色差效果

为了解决受限于自然界中光学材料的折射率问题,可以把透镜做成曲面等方式来控制光。最普通的方式是把两种不同折射率的透镜组合在一起,一片的色差由另一片来抵消,也就是“消色差”。但要达到理想效果,往往需要将二至四个透镜进行叠加。当然,相机业者也会使用色彩校正软件作为辅助,不过,光学装置的体积普遍都相当大,比如单眼相机或是专业摄影用到的“大炮”镜头等。

不同于传统透镜,超表面具有在亚波长(Subwavelength)维度下调控电磁波的特性。例如振幅、相位与偏振性。所以对于发展光电元件微型化有极大的帮助。少了层层叠叠的透镜,未来手机、相机就能大幅“瘦身”。

此外,还有一项很大的优势,就是成像的效果比传统透镜更好、更清晰。已有学者成功利用超表面展示平面超透镜(Flat Metalens),并引起了来自全球的科技巨头们的极大关注。

其中最积极的莫过于 Google。据了解,Google 早在 2012 年就与哈佛大学团队探讨利用超表面来取代手机中光学控制元件的可能性。另外,Google 旗下最神秘的实验室 Google X内部的Google Glass小组,也曾于2014年找上哈佛大学教授 Federico Capasso 的研究团队,希望以先进的超材料技术来开发具有更高效率、更易于大量生产、体积更小的产品。

图丨哈佛大学教授 Federico Capasso

Federico Capasso 团队去年在《科学》上发表了相关技术,他们以二氧化钛纳米纤维(titanium dioxide nanofins)为材料开发的超透镜厚度只有 600 纳米,是一般玻璃镜头的十万分之一。这让外界了解到,以超材料制成的透镜将具有极大的商业潜力。

自创集成共振单元

尽管学术界及产业界都对超透镜寄予厚望,期待取代传统光学设备的那一天尽快到来。不过,在实际应用层面仍面临了几个问题,第一个挑战就是如何在宽频带内消除色差,因为有色差就会影响成像品质。

台湾“中研院”应用科学中心主任蔡定平指出,先前对于连续波段消色差最好的研究成果仅有 140 纳米(近红外波段,相较于中心波长约 9.2% 频宽)以及 60纳米(可见光波段,相较于中心波长约 11% 频宽)。

图丨透过电脑计算最佳的排列位置,组成集成共振单位(灰色图)(资料来源:蔡定平研发团队提供)

由蔡定平领导的团队自创“集成共振单位”,就是要解决上述问题。身为核心开发人员的王漱明解释,整个开发流程可以分为四个阶段:第一是设计超表面的共振单元,以及想要实现消色差效果,就需要将这些单元进行特殊排布,通过电脑精算设计出超表面结构;第二是样品的加工制成;第三阶段以实验测试样品的效果;最后才是进行结果分析。

最终,他们成功制作出宽频且消色差的超透镜(Achromatic Metalens)。这种超透镜的消色差在近红外波段达到了 480nm 的频宽,相较于中心波长约 33.3% 频宽,是目前为止最广的工作频宽。这项研发成果大幅解决了色差的问题,因此成了近期国际上纳米光学领域最重要的成果之一,让超透镜距离商业化往前迈进了一大步。

图丨左图为色彩示意图,右图为让所有波长都精准聚焦在同一个点上,成像才会清晰(资料来源:蔡定平研发团队提供)

从多元中找到灵感

有意思的是,来自两岸的研发团队合作开发出的集成共振单位,其灵感来源也让人出乎意料。

台湾“中研院”应用科学中心主任蔡定平表示:西医的概念是头痛医头、脚痛医脚。不论张三李四来看病,症状相同吃得都是一样的药丸。但中医则不同,望闻问切,人尽不同。虽然医生开出的药方是类似的草药,但病人服用的剂量、帖数却因人而异、甚至还因时而异这样的哲学给了我们一个启示,研发超透镜时一定要用多元的方法。

他进一步解释,人的眼睛可以看到很多光,不同的光有不同波长,看不清楚就会模糊掉。过去的研究在设计透镜时,每一个基本结构单元都很简单,都只适用于固定波长。

但研究人员想的是,必须让所有波长都精准聚焦在同一个点上,成像才会清晰。所以他们考虑的参数要复杂许多倍,但又不能一次放入过多的参数,必须经过精密控制及计算,让参数彼此又可以起作用。A+B 之后,可以变成 ABCDE,这就是集成共振单位的原理。若用电子显微镜来看他们开发的透镜,可以发现在边缘、中心摆放的元件数量不同,方向及大小也有差异。

“平面超透镜要做的是超越现有透镜。”首先,是透镜体积的超微缩化,一般手机镜头透镜直径大约是 0.8 厘米,而他们开发的超透镜以电子显微镜来看,透镜直径只有 250 微米,而且厚度在 100 纳米以内。未来在手机镜头、一般监视器镜头、行车记录器、穿戴装置上。不难想像,只要一片微小的超透镜就可满足所有需求。

图丨超透镜的特色就是微缩化,上图的薄片大约包含 20 个超透镜,得用电子显微镜才能看见(图片来源:詹子娴)

另外,新技术、新材料往往会因为成本过高而无法快速商业化,可是这点在超透镜上似乎不成立!因为宽频且消色差的超透镜采用标准的半导体元件制程。

而且制造材料也跟集成电路芯片密切相关,现有的半导体制备工艺就足够应对。这代表着超透镜未来完全可以实现大规模量产,而且不像传统透镜,需要精细打磨、抛光,因此价格会比目前的镜头更便宜。

蔡定平说,有学者评估超透镜大量生产后的价格大概只有传统镜头的 1/4,虽然这还是跟产量有关系,“但一般镜头光是材料成本就高于超透镜。而且画质更清楚,体积更小、可应用的范围也更广。”目前镜头只能看到可见光,但其他波段如红外线、紫外线就看不到,故平面超透镜能全面超越现有透镜的功能,这也就是为什么传统镜头公司会感到如坐针毡的原因。

对于超透镜何时可以被量产?蔡定平坦言,超表面是相当前沿的领域,要商业化取决于掌握多少技术。以他们实验室团队的技术积累,如果要将超透镜量产,大概三个月就可以实现。

但是,科研机构并非以盈利为最终目的,这就看有没有厂商有意愿进行授权合作。目前超透镜已经做到人眼可见光范围全部适用。包括手机镜头、行车记录器、各种感应器,未来的 AR、VR 装置、夜视镜、红外成像等各式各样的光学器材都是可应用的领域。

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