近日，美國西北大學(xué)的科研團隊開發(fā)出一種由金屬納米顆粒和聚合物組成的光學(xué)元件：超透鏡。有朝一日，它將取代傳統(tǒng)的折射透鏡，實現(xiàn)便攜式的成像系統(tǒng)和光電子器件。

背景

透鏡是一種基礎(chǔ)光學(xué)元件，在日常生活中被廣泛應(yīng)用，例如相機、眼鏡、顯微鏡等。傳統(tǒng)透鏡對于不同波長的光線具有不同的折射率，因此無法將各種顏色的光線聚焦到同一點上，從而產(chǎn)生色差，導(dǎo)致圖像失真。

為了解決色差的問題，傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)將多個不同厚度和材質(zhì)的曲面透鏡疊加在一起。但是，這種解決方案卻是以增加系統(tǒng)復(fù)雜度和重量為代價的。

（圖片來源：蘋果公司）

然而，一種新型透鏡可以解決上述問題，這就是超透鏡。超透鏡具有扁平表面，能利用納米結(jié)構(gòu)聚光讓入射光投射到期望的地方。超透鏡輕薄小巧，功能大大超越傳統(tǒng)透鏡。作為光學(xué)領(lǐng)域的一項GE命性技術(shù)，它有望徹底顛覆傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中繁瑣的透鏡組，使得手機、相機、監(jiān)控攝像頭等產(chǎn)品都變得更小、更薄、更輕。

平面超透鏡（圖片來源：參考資料【2】）

下圖展示了兩種平面透鏡。前景部分，一種新型平面透鏡將所有顏色的光線聚焦于同一點。作為對比，背景部分的平面鏡頭無法進(jìn)行顏色校正。

（圖片來源：哥倫比亞大學(xué)）

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近日，美國西北大學(xué)的科研團隊開發(fā)出一種由金屬納米顆粒和聚合物組成的光學(xué)元件。有朝一日，它將取代傳統(tǒng)的折射透鏡，實現(xiàn)便攜式的成像系統(tǒng)和光電子器件。這種多功能的平面透鏡是超透鏡，厚度不足人類發(fā)絲寬度的百分之一。相關(guān)論文*近發(fā)表在《ACS Nano》期刊上。

（圖片來源：參考資料【3】）

技術(shù)

超透鏡的特性取決于如何合理設(shè)計納米單元的排列組合。超透鏡已成為平面透鏡的一個非常引人注目的選擇，但目前卻受制于它們靜態(tài)的制備特性以及復(fù)雜昂貴的制造工藝。

然而，對于縮放和聚焦等成像操作來說，大多數(shù)超透鏡無法在沒有物理運動的情況下調(diào)整焦點。溫伯格藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院化學(xué)系教授、這項研究的***Teri W. Odom表示，一個主要原因就是這些透鏡的構(gòu)建模塊是由堅硬的材料組成，這些材料一旦制成就無法改變形狀。在任何材料系統(tǒng)中，調(diào)整納米尺度的特征，從而在超透鏡中獲取可調(diào)諧的聚焦，都是非常困難的。

西北大學(xué)納米技術(shù)國際研究所成員Odom表示：“在這項研究中，我們演示了一種多功能成像平臺，它是基于銀納米顆粒制成的完全可重新配置的超透鏡。在單次成像過程中，我們的超透鏡設(shè)備可以從單焦點透鏡演變成多焦點透鏡，多焦點透鏡可以在任意可編程的三維位置形成多幅圖像。”

（圖片來源：美國西北大學(xué)）

西北大學(xué)團隊通過圓柱形銀納米顆粒陣列以及位于金屬陣列之上形成塊狀圖案的聚合物層，構(gòu)建出了他們的透鏡。通過簡單地控制聚合物圖案的排列，納米顆粒陣列能引導(dǎo)可見光到達(dá)任何目標(biāo)焦點，而無需改變納米顆粒的結(jié)構(gòu)。

這種可伸縮的方法使得不同的透鏡結(jié)構(gòu)可以通過一步擦寫制成，在多次擦寫循環(huán)之后，不會帶來明顯的納米特征退化。這項技術(shù)可以使用由彈性體制成的軟掩膜，將任何預(yù)制的聚合物圖案重新變?yōu)槿魏纹谕膱D案。

價值

Odom表示：“這種小型化技術(shù)以及與探測器的整合，有望為從小型廣角攝像頭到微型內(nèi)窺鏡的一系列設(shè)備帶來高分辨成像。”