麻省理工打造無(wú)需物理移動(dòng)也能變焦的新型超透鏡

據(jù)外媒報(bào)道，照相機(jī)已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間，使用拋光玻璃作為鏡頭的時(shí)間則幾乎跟它們出現(xiàn)的時(shí)間一樣長(zhǎng)。在拋光玻璃鏡頭，一個(gè)精確的曲率允許鏡頭聚焦光并提供攝影師銳利的圖像。如果想要改變焦點(diǎn)，通常需要透鏡通過(guò)傾斜、滑動(dòng)或通過(guò)機(jī)械部件進(jìn)行物理移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

然而這些機(jī)械部件增加了顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡的復(fù)雜性和體積。對(duì)此，MIT的工程師們開發(fā)出了一種新型的可調(diào)金屬，它可以在不改變物體物理位置或形狀的情況下聚焦于多個(gè)深度的物體。鏡頭不是玻璃做的，相反，它使用的是一種透明的相變材料，可以在加熱時(shí)重新排列原子結(jié)構(gòu)。

當(dāng)它重新排列原子結(jié)構(gòu)時(shí)，材料跟光相互作用的方式也發(fā)生了變化。MIT的研究人員使用微小而精確的圖案結(jié)構(gòu)蝕刻出這種材料的表面從而形成一種以獨(dú)特方式折射或反射光線的超表面。當(dāng)材料的性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，超表面的光學(xué)函數(shù)發(fā)生變化。

在MIT的應(yīng)用中，當(dāng)材料處于室溫時(shí)，它會(huì)聚焦光線以在一定距離內(nèi)產(chǎn)生物體的清晰圖像。當(dāng)材料被加熱時(shí)，原子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化從而使超表面將光線重定向到更遠(yuǎn)的物體上。這使得超透鏡無(wú)需任何笨重的機(jī)械元件就可以調(diào)焦。

目前，MIT的超透鏡可以在紅外波段成像并可以用于制造光學(xué)設(shè)備如用于無(wú)人機(jī)的微型熱透鏡、用于手機(jī)的超緊湊熱透鏡及低損耗夜視鏡。MIT的研究人員稱，他們的發(fā)明能夠在不同的深度實(shí)現(xiàn)無(wú)像差成像的重疊物體定位，進(jìn)而可以跟傳統(tǒng)和更龐大的光學(xué)系統(tǒng)展開競(jìng)爭(zhēng)。

材料調(diào)整

新鏡頭由相變材料制成，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)整可擦寫CD和DVD中常用的材料來(lái)制造。它被稱為GST，它包含鍺、銻和碲，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)在被激光脈沖加熱時(shí)會(huì)發(fā)生變化。這使材料可以在透明狀態(tài)和不透明狀態(tài)之間進(jìn)行切換，這種機(jī)制使CD中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)能夠被寫入、擦除和重寫。

今年早些時(shí)候，研究人員報(bào)告稱，在GST中添加了另一種元素硒，以制造新的相變材料：GSST。當(dāng)他們加熱新材料時(shí)，其原子結(jié)構(gòu)從無(wú)定形、無(wú)序的原子纏結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)楦行虻木w結(jié)構(gòu)。這種相移還改變了紅外光穿過(guò)材料的方式，影響了折射能力，但對(duì)透明度的影響卻很小。

該團(tuán)隊(duì)想知道，是否可以調(diào)整GSST的開關(guān)功能以根據(jù)其相位將光引導(dǎo)和聚焦在特定點(diǎn)上。這樣，這種材料就可以用作主動(dòng)透鏡，而無(wú)需機(jī)械部件來(lái)轉(zhuǎn)移其焦點(diǎn)。

Shalaginov說(shuō)：“通常，當(dāng)制造光學(xué)器件時(shí)，要在制造后調(diào)整其特性非常困難。” “這就是為什么擁有這種平臺(tái)對(duì)于光學(xué)工程師來(lái)說(shuō)就像是一個(gè)核心要素，從而使超透鏡可以在很大范圍內(nèi)有效地切換焦點(diǎn)?！?/p>

面臨困難

在傳統(tǒng)的鏡頭中，玻璃是精確彎曲的，因此入射光束會(huì)以各種角度折射離開鏡頭，并會(huì)聚在距離一定距離的點(diǎn)處，這就是鏡頭的焦距。然后，透鏡可以在該特定距離處產(chǎn)生任何物體的清晰圖像。要對(duì)不同深度的物體成像，必須物理移動(dòng)鏡頭。

研究人員不希望依靠材料的固定曲率來(lái)引導(dǎo)光，而是希望通過(guò)改變焦距隨材料相位變化的方式來(lái)修改基于GSST的金屬元素。

在他們的新研究中，他們制造了一個(gè)1微米厚的GSST層，并通過(guò)將GSST層蝕刻成各種形狀的微觀結(jié)構(gòu)，以不同方式折射光來(lái)創(chuàng)建“超表面”。

顧說(shuō)：“構(gòu)建超表面的過(guò)程非常復(fù)雜，需要在不同的功能之間進(jìn)行切換，并且需要明智地設(shè)計(jì)使用哪種形狀和圖案。” “通過(guò)了解材料的行為方式，我們可以設(shè)計(jì)一種特定的圖案，該圖案將集中在非晶態(tài)的一個(gè)點(diǎn)上，并轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶相的另一個(gè)點(diǎn)?！?/p>

研究人員通過(guò)將新的超透鏡調(diào)諧至紅外光帶的激光束對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，在鏡頭前方一定距離處，放置了透明物體，該物體由水平和垂直條的雙面圖案（稱為分辨率表）組成，通常用于測(cè)試光學(xué)系統(tǒng)。

透鏡在其初始非晶狀態(tài)下產(chǎn)生第一圖案的清晰圖像。然后加熱鏡片，將材料轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶相。在移除加熱源的情況下，鏡頭產(chǎn)生了同樣清晰的圖像，這次是第二組更遠(yuǎn)的條紋。

Shalaginov說(shuō)：“我們演示了在兩個(gè)不同深度的成像，沒(méi)有任何機(jī)械移動(dòng)?！?/p>

實(shí)驗(yàn)表明，超透鏡可以在沒(méi)有任何機(jī)械移動(dòng)的情況下主動(dòng)改變焦點(diǎn)。研究人員說(shuō)，可以用集成的微型加熱器制造超透鏡，從而以短毫秒的脈沖快速加熱材料。通過(guò)改變加熱條件，可以調(diào)諧到其他材料的中間狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)的焦點(diǎn)調(diào)節(jié)。

Shalaginov解釋說(shuō)：“這就像做牛排，可以做成幾分熟到十分熟，也可以做成介于兩者之間的其他任何熟的程度?！?“將來(lái)，這個(gè)獨(dú)特的平臺(tái)將使我們能夠任意控制這種超透鏡的焦距?！?/p>