哈佛大学开发扁平无色差超透镜,用于VR/AR领域

这个扁平的超透镜是首个可以在同一点上以高分辨率聚焦整个可见光谱(包括白光)的单一透镜。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。

超透镜的扁平表面使用纳米结构聚光,承诺用简单和扁平的表面来取代目前光学器件中使用的庞大弯曲透镜并引发一场光学革命。但是,这些超透镜仍然在他们可以集中的光谱方面有所局限。现在,哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的一个研究小组开发出了首个单一透镜,它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。这在传统透镜中只能通过叠加来实现。

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这项研究发表于Nature Nanotechnology。

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。例如,红色波长在通过玻璃时比蓝色的更快,所以两种颜色将不能同时到达相同的位置,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。

Federico Capasso是该研究的高级作者,同时也是Robert L. Wallace教授带领的应用物理和SEAS Vinton Hayes高级电气工程研究团队中的一员,他说:“超透镜要优于传统透镜。超透镜较薄,易于制造且成本效益高。该突破将这些优势扩展到了整个可见光领域。这是下一个大的进展。

哈佛大学技术开发办公室(OTD)已经保护了与这个项目有关的知识产权,并且正在寻求将其商业化的机会。

Capasso和他的团队开发的超透镜试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。之前的研究表明,通过优化纳米薄膜的形状、宽度、距离和高度,不同波长的光可以在不同的距离处得到聚焦。在这个最新的设计中,研究人员创造了成对的纳米薄膜单位,可以同时控制不同波长的光的速度。成对的纳米薄膜控制着超表面上的折射率,并且为穿过不同薄膜的光调整出不同程度的延迟,从而确保所有波长同时到达焦点。

“在设计无色差的宽波段透镜时,最大的挑战之一就是要确保超透镜各点输出的波长同时到达焦点,”SEAS的博士后研究员,也是该论文的第一作者Wei Ting Chen说。“通过将两个纳米薄膜结合为一个元件,我们可以调整纳米结构材料中的光速,以确保使用一个单一的超透镜就可以将可见光中的所有波长都聚焦在同一个点上,相对于复合的标准消色差透镜来说,这大大减少了透镜的厚度和设计的复杂度。”

这项研究的共同作者之一Alexander Zhu说:“使用我们的消色差透镜,我们可以进行高质量的白光成像,这使我们向将它们整合到相机等常见光学设备中的目标又迈进了一步。”

接下来,研究人员的目标是把镜头直径放大到1厘米左右。这将引出一系列新的可能性,例如在虚拟和增强现实中的应用。

这篇论文由Vyshakh Sanjeev、Mohammadreza Khorasaninejad、Zhujun Shi和Eric Lee合着。它得到了空军科学研究办公室的部分支持。这项工作的一部分将在纳米系统中心(CNS)进行,该中心是国家纳米技术协调基础设施(NNCI)的成员,受到了国家科学基金会的支持。

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