新的“Metalens”无需移动就能转换焦距——为无人机、手机或夜视镜提供微型变焦镜头

Metalens在不移动的情况下转移焦点

新的麻省理工学院制造的金属的偏移焦点而不会倾斜,移位或以其他方式移动。该设计可以为无人机,手机或夜视护目镜启用微型变焦镜头。信贷:由研究人员提供

几个世纪以来,抛光玻璃一直是成像系统的中心。它们精确的曲率使透镜能够聚焦光线并产生清晰的图像,无论你所看到的物体是单个细胞、一页书还是一个遥远的星系。

在所有这些尺度下,要想改变焦点看得更清楚,通常需要通过倾斜、滑动或其他方式移动镜头来物理移动镜头,通常需要借助显微镜和望远镜的机械部件。

现在麻省理工学院工程师们已经制造了一种可调的“metalens”,它可以聚焦在多个深度的物体上,而不改变物体的物理位置或形状。这种透镜不是由固体玻璃制成,而是由一种透明的“相变”材料制成,加热后,这种材料可以重新排列其原子结构,从而改变材料与光相互作用的方式。

研究人员在这种材料的表面蚀刻了微小的、精确的图案结构,这些结构一起作为“超表面”工作,以独特的方式折射或反射光线。随着材料性质的变化,超表面的光学功能也随之变化。在这种情况下,当材料处于室温时,超表面就会聚焦光线,在一定距离内产生物体的清晰图像。当材料被加热后,它的原子结构会发生变化,作为回应,超表面会重新引导光线聚焦到更远的物体上。

通过这种方式,新的活性“metalens”可以调整其焦点,而不需要笨重的机械元件。这种新颖的设计,目前图像在红外波段内,可能使更灵活的光学设备,如微型的无人机热范围,超紧凑的手机热照相机,低轮廓的夜视镜。

麻省理工学院材料研究实验室的科学家Tian Gu说:“我们的研究结果表明,我们的超薄可调谐透镜,没有运动部件,可以实现不同深度重叠物体的无像差成像,可以与传统的笨重光学系统相媲美。”

顾和他的同事今天在《华尔街日报》上发表了他们的研究结果自然通讯。他的合著者包括Juejun Hu, Mikhail Shalaginov, Yifei Zhang, Fan Yang, Peter Su, Carlos Rios, Qingyang Du,和麻省理工学院的Anuradha Agarwal;麻省理工学院林肯实验室(MIT Lincoln Laboratory)的弗拉基米尔·利伯曼(Vladimir Liberman)、杰弗里·周(Jeffrey Chou)和克里斯托弗·罗伯茨(Christopher Roberts);以及马萨诸塞大学洛厄尔分校、中佛罗里达大学和洛克希德马丁公司的合作者。

材料调整

这种新的透镜是由一种相变材料制成的,该团队通过调整一种常用在可重写cd和dvd中的材料来制造这种材料。它被称为GST,由锗、锑和碲组成,当激光脉冲加热时,它的内部结构会发生变化。这使得材料可以在透明和不透明状态之间切换——这种机制使得存储在cd中的数据可以被写入、删除和重写。

今年早些时候,研究人员报告说,他们向GST中添加了另一种元素硒来制造a新型相变材料: GSST。当他们加热这种新材料时,它的原子结构从无定形的、无序的原子缠绕转变为一种更有序的晶体结构。这种相移也改变了红外光穿过材料的方式,影响了折射率,但对透明度的影响很小。

该团队想知道GSST的转换能力是否可以根据其阶段定制以指示特定点的直接和聚焦光。然后材料可以用作有源镜头,而不需要机械部件移动其焦点。

“一般来说,当一个光学装置时,调整其特征的特征是非常具有挑战性的,”Shalaginov说。“这就是为什么拥有这种平台就像是光学工程师的圣杯,它允许[金属]有效地和大范围内切换聚焦。”

处于困境

在传统透镜中,玻璃是精确弯曲的,因此入射的光束以不同的角度从透镜上折射,在一定距离外的一点聚集,即透镜的焦距。这种透镜可以在特定的距离内产生任何物体的清晰图像。为了成像不同深度的物体,镜头必须移动。

研究人员不是依靠材料的固定曲率来引导光线,而是通过改变gst基金属的焦距来改变材料的相位。

在他们的新研究中,他们制作了一个1微米厚的GSST层,并通过将GSST层蚀刻到以不同方式折射光线的各种形状的微观结构中,创造了一个“超表面”。

“构建在不同功能之间切换的超表面是一个复杂的过程,需要明智的工程来决定使用哪种形状和模式,”顾说。“通过了解材料的行为,我们可以设计一个特定的模式,它将集中在非晶态的一点,并改变到晶体相的另一点。”

他们测试了新的金属元素,把它放在一个舞台上,用调谐到红外波段的激光束照亮它。在镜头前的一定距离处,他们放置由水平条形和垂直条形双面图案组成的透明物体,称为分辨率图,通常用于测试光学系统。

镜头在其初始非晶态,产生了第一图案的尖锐图像。然后,团队加热镜片以将材料转化为结晶相。在过渡之后,随着加热源去除,镜片产生了同样清晰的图像,这次是第二组的杆。

Shalaginov说:“我们在两个不同的深度进行成像,没有任何机械运动。”

实验结果表明,金属粒子可以在没有任何机械运动的情况下主动改变焦点。研究人员说,金属矿可以通过集成微加热器来制造,以毫秒短脉冲快速加热材料。通过改变加热条件,它们还可以调节其他材料的中间状态,从而实现连续焦调。

“就像烹饪牛排一样 - 一个从生牛排开始,可以做好,或者可以做中等罕见的,之间的其他任何东西,”Shalaginov说。“在未来,这个独特的平台将使我们任意控制金属的焦距。”

参考:“可重构all-dielectric metalens与衍射极限性能”由米哈伊尔•y Shalaginov Sensong, Yifei,风扇,彼得•苏弗拉基米尔•Liberman杰弗里·b·周克里斯托弗·m·罗伯茨Myungkoo Kang卡洛斯·里奥斯,庆阳Du,克莱顿福勒,阿阿加瓦尔,凯瑟琳·a·理查森,克拉拉Rivero-Baleine, Hualiang张Juejun胡锦涛和田古,2021年2月22日,自然通讯
DOI: 10.1038 / s41467 - 021 - 21440 - 9

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