哈佛大学科研团队分享纳米超材料薄透镜在AR-VR上的潜在应用

文章相关引用及参考：theconversation

多种颜色下的清晰图像

（映维网 2018年04月27日）数个月前，哈佛大学保尔森工程与应用科学学院的研究人员在《Nature Nanotechnology》上发表了一篇关于超透镜（Meta-Lens）的纳米超材料透镜，其能够控制不同波长的光线聚焦，从而在轻薄透镜形态下实现清晰的图像。在日前，研究团队在The Conversation中再次分享了这项技术和对VR/AR头显的应用。以下是映维网的具体整理。

如果佩戴VR头显或AR头显流行日来，硬件厂商将需要思考出令设备变得轻便，同时确保图像清晰的方式。遗憾的是，这个任务在光学层面面临着一个关键的限制：传统透镜是曲面玻璃对象，其会把不同波长的光线聚焦在不同的位置，从而导致模糊的影像。因此，无论是智能手机摄像头还是大型投影仪，它们都会采用多透镜设置，但这又增加了重量，厚度与复杂度，同时还提高了成本。

我们发现了一种生产完全透明，超级紧凑的透镜的方法，其能够合适地将光谱中的不同颜色光线聚焦在同一点。这是由于我们的透镜包含专门设计的纳米结构。我们将其称之为“超透镜（meta-lens）”。它具有超紧凑的优势，同时能够在更广泛的光线范围内提供更高质量的成像，无需多透镜设置。

1. 弯曲光线

几个世纪以来，望远镜，眼镜和其他光学设备的大多数透镜都是通过将玻璃研磨成粗糙的弯曲形状，然后将其抛光以清晰地弯曲光线。但是，这种透镜无法在将每种颜色的光线都聚焦在同一点上。

不同颜色或频率在透镜中以不同速度传播是光的基本属性。它们无法同时达到同一位置，这将导致图像模糊。

不同频率的光线在透镜中的弯曲率与速度并不相同

为了减少这种影响，商业透镜厂商构建了包含多个独立透镜的复杂光学设备，每个透镜都精确研磨成曲线并进行对齐，从而将波长范围内的光线都集中在恰当的位置。但最终如此配置将导致巨大，笨重且复杂的透镜。这影响了VR头显的舒适性。

2. 纳米结构的力量

为了替代这种巨大而昂贵的精密工程产品，我们从毫米厚的普通平板玻璃片入手。在它的上面，我们放置了一层精心设计的矩形纳米结构。这种纳米结构比玻璃层薄一百万倍，由二氧化钛制成，对可见光完全透明。

电子显微镜下观察的纳米结构

根据光线通过超透镜位置与中心的距离，纳米结构将以不同的角度来弯曲光线：距离越远，弯曲角度越高。这样将使得所有的光线都聚焦在相同的位置。为了将纳米结构固定在玻璃基板上，我们采用了光刻技术，这是一种广泛用于批量生产计算机芯片的技术。

在2016年，我们表明采用纳米结构的平板玻璃可以聚焦一种特定的颜色光，其效果就如同传统的曲面透镜。但在那项研究中，我们遇到了与曲面玻璃一样的老大难问题：每种颜色都聚焦在不同的位置。为了令我们的平板透镜形成高质量的图像，所有的光线（无论其颜色如何）都必须聚焦在同一点上。

3. 纳入所有的颜色

在我们最新的研究中，我们设计了一套更复杂的纳米结构，其即便是在平坦表面上也可以做得比传统的弯曲透镜更多。纳米结构仍然是按照“离中心越远弯曲角度越高”的方式来弯曲光线，但我们根据启发进行了一项重要的修改。当光线离开超透镜后，其必须穿行到离透镜边缘更远，离透镜中心更近的焦点。

超透镜可以将所有颜色的光线聚焦在同一点上

要在相同的时间内穿行较长的距离，这一光线的传输速度必须更快。所以我们构建了一些可以更快传输光线的纳米结构，以及一些传输速度更慢的纳米结构。我们将传输速度更快的纳米结构放在透镜边缘，所以光线通过它们的速度将比中间位置更快。这能有效地帮助来自变焦透镜边缘的光线追上中心发出的光线，从而令所有的光线聚焦在一起。

这种方法可以根据不同情况进行修改，从而可以实现具有广泛属性的超透镜，如单纯影响特定颜色的能力：定制设计的纳米结构可以相对简单地进行调整，不存在将弯曲玻璃透镜抛光成高精确规格的限制或复杂性。

设计完成后，可以将超透镜作为VR头显或AR眼镜等设备的大规模生产流程中的一部分。它们也可以用于替代智能手机和笔记本电脑上更昂贵的磨砂玻璃摄像头透镜，从而减轻便携式设备的重量，厚度和成本。

数百年来多色聚焦的挑战可以通过纳米结构下的轻薄玻璃解决，这似乎看起来很不可思议。确实，超透镜的实现方法可以提供传统大型多透镜配置所无法企及的优势：多种颜色下的清晰图像。