实时
眉山市彭山三中召开市级课题开题论证会 彭州市人民医院多科联合成功完成一例巨大胶质瘤切除术 邯郸市丛台区黎明小学——抗“疫”路上黎明最美身影 减“负”提效 为“学”而教——记眉山市东坡区东坡小学青年教 彭州市龙门山学校开展全民国家安全日教育系列活动 我国成功研制105亿年偏差不到1秒的光频标 北京新增2例新冠肺炎本土确诊病例 维护孕产期女职工劳动权益、加强体育赛事安全监管、保障职校学生 中国一汽复工复产助力汽车产业链稳定运行 公安部:立案侦办生态和生物安全相关犯罪案件5.4万余起 广州本次疫情累计报告感染者131例 彭州市庆兴神钢小学开展全民国家安全教育日系列宣传活动 助推绿色发展 四川多领域推进电能替代工作 这是一场必须打赢的战斗——写在吉林省实现疫情防控社会面清零之 “壮族三月三”走进港澳系列活动正式启动 新茶村里“新茶事” “坚持就是胜利”——记沈阳“静下来”的20天 上海:金融助力打通运输大通道 北京疾控制定进口非冷链货品常态化疫情防控指引 京杭大运河贯通补水启动 今年实现全线通水目标 盛世珠宝金店正式落地山东威海 彭州市龙门山学校开展“作业设计”校本培训 传祺炼就最强混动,破局路“双线并行” 上海农商银行助力跑出加速度,全力支持方舱援建企业 北京博爱堂(西客站馆)试营业正式启动暨“疫情防控·博爱相伴”大型 第六季的蘑菇屋是啥样子?容声冰箱说,我想剧透 加盟吉祥馄饨,低成本建立顾客信任 月影家居DouLife家居节,沟通升级迸发新势能 家装烦恼多!三翼鸟携手多品牌排忧 彭州市人民医院召开创建四川省安全文化建设示范医院启动会 陕西紧急调配3.38万毫升恢复期血浆驰援上海 利用App诈骗成为电信网络诈骗主要犯罪手段之一 国家网信办反诈中心今年已排查打击87.8万个涉诈网址 台湾新增982例新冠肺炎确诊病例 第二批3种重点领域国家安全普及读本出版 事关1586万教师!《新时代基础教育强师计划》印发 北京:以构建现代化首都都市圈带动京津冀协同发展取得新突破 中国科学家在新一代干细胞制备技术上取得重要突破 这里天气乍暖还寒,生产建设却已热火朝天 福建省发布关爱货车司机保通畅十条措施 泰国大城府:盛装巡游庆宋干节 西藏:花开南迦巴瓦 短视频实效营销3.0开启,大中华区艾菲奖短视频营销专委会成功举办! 阜南县鹿城镇张堂村:开展“绿色环保”手绘画活动 干眼3年,我是如何改善干眼症的? 柏岁慷:让世间充满爱,使生灵得安详 十大权益,安心加盟——芬享果元真心实意 七匹狼2021全年净利润增2.31亿元,中国茄克王的谋变征途 企业金融顾问制度显实效,全国人大代表建议全国推广 展览 | 中国书画名家学术邀请展·艺博双年展: 周厚明

您的位置:首页 > 滚动资讯

超构透镜:正在“颠覆”传统成像技术

  文/李涛,校/胡月

超构透镜:正在“颠覆”传统成像技术

  随着智能手机的广泛普及,随手拍照已然融入了人们日常生活,“成像技术”不再是少数发烧友的独宠,成为普罗大众熟悉的事物。当然,这并非意味着大家真正认识了解手机的成像系统。大多数人可能并不知道,手机所用的小小的摄像头居然也是由5-7片透镜组合而成。那么为何要用这么多镜片呢?手机的摄像头能否做的更小呢?那我们就来聊一聊透镜成像技术吧。

  说到成像,早在我国春秋时代的《墨经》中就记载了“小孔成像”。它很好反映了光直线传播的特征,但由于通光量有限并未由此发展出高效的成像器件和技术。真正大规模的成像技术源自于折射型透镜的发明。这是根据透镜材料的弯曲界面发生的光折射效应,将一个点发出的光线重新汇聚到一个像点来完成成像过程的。

  由于成像原理的限制(如傍轴条件)、介质色散、光波长范围等因素,单个折射透镜的成像存在像差、色差、分辨率极限、视场范围等性能限制。提升成像分辨率以及成像性能一直以来是成像技术追求的目标。经过上百年的发展,人们已经发展出成熟的成像技术与系统,如显微镜、望远镜、单反相机、乃至光刻机等等。其中复杂的透镜组就是为了消像差、消色差实现高质量成像而设计。随着现代生产生活的需要,小巧便携式的成像系统越来越受欢迎,正如我们开头所说的手机摄像头,已经可以满足人们大部分生活的需求了。那么,对于更高要求的专业成像系统,如天文望远镜、高倍显微镜等等有没有可能便携化?针对不同波长、偏振等专用相机有没有可能便携化呢?这给成像技术发展提出新的挑战。

  超构透镜源自于超构材料与超构表面,它是一种基于亚波长人工结构单元来局域地调控光的相位、偏振等参数来构建聚焦相位实现透镜成像的功能。它具有超轻超薄(仅微米/亚微米厚度)、平面结构等特征,非常有利于高度集成的成像系统。2016年哈佛大学报道了第一个高性能的全介质超构透镜拉开了超构透镜研究的序幕。随后,人们对超构透镜的色差、像差、偏振调控、波长调节等成像性能开展了深入广泛的研究。

  由于超构透镜衍射本质,其色差远高于传统折射透镜。研究人员提出多种方案去进行透镜的消色差设计,并取得了一定程度的进展。不过,现有的结果表明超构透镜的消色差性能的提升往往需要牺牲成像效率为代价。至今,实现大尺寸大数值的高效率消色差透镜仍然是学术界公认的难题。

  另一方面,平面透镜虽然对平行入射光具有消球差特性,但在成像过程中仍具有较大的慧差,这使得超构透镜成像的有效视场范围非常受限。对比于现今成熟的多片式镜头模组,这种超薄的超构透镜的成像性能还有很大差距。尽管如此,众多研究人员还在努力进一步优化设计原理,提升透镜加工技术,其成像性能还有很大提升空间。特别是随着计算机技术的发展,非常有希望通过算法优化来提升超构透镜的整体成像性能。

  值得一提的是,超构表面灵活多样的设计原理和功能复用赋予了超构透镜在成像应用上的独特性与多样性。我国的科研团队也针对消色差超构透镜开展了系统研究,提出并成功演示了实现方案。近年来,针对超构透镜实际应用问题,科研人员另辟蹊径,利用超构透镜特有的性质做了一些有趣的尝试,并有望将相关技术推向应用。

  针对消色差超构透镜尺寸受限的问题,科学家避开了大尺寸透镜,设计并研制了消色差微透镜阵列,实现了消色差的光场成像,成功演示了“先拍照、后聚焦”的景深分辨功能,同时具有很高的色彩保真度。而且,这种平面结构的透镜阵列可以比传统器件具有更高的占空比和工艺兼容性,有望推动光场成像技术的发展。

  另一方面,科研人员还巧妙地利用了超构透镜巨大的色差,发展了光谱变焦和层析成像技术。由于超构透镜自身色差很大,而利用非共振相位设计(如几何相位、传播相位)的超构透镜都具有一定的工作波长带宽。在此波长范围内,可以通过调节照明波长来改变透镜焦距,达到变焦功能,并成功利用该性质实现了生物细胞的层析显微成像。整个过程仅需调节波长无需任何机械移动,是一种高集成高稳定的新型层析成像技术。

  最近,针对高分辨显微成像中视场范围受限的问题,我国科研团队发展了偏振复用的超构透镜阵列,打破传统单光轴成像系统的空间带宽积限制,获得大视场显微成像。其中偏振复用的超构透镜设计可以提供两组互相交错的聚焦相位,消除成像拼接过程中的视场盲区。这正是超构透镜多功能、设计灵活优势的体现。基于此,研制出的三厘米尺寸的便携式超构显微镜,有望广泛应用于便携式医疗诊断、野外科考等领域。

  回顾近十年发展,光学超构透镜经历了从原理创新到应用开发的过程,其性能不断被优化,应用场景不断被拓展。除了本文所描述的成像应用外,它也在偏振成像、光谱成像等方面展示出独特优势。可以说,超构透镜技术的发展在很多方面打破了传统成像的局限,为发展颠覆性成像技术开辟了广阔的空间。

超构透镜:正在“颠覆”传统成像技术

  专家简介:

  李涛,南京大学现代工程与应用科学学院教授。2005年于南京大学物理系博士毕业,曾先后在新加坡南洋理工大学、香港浸会大学做访问学者,长期从事微纳光子学研究,在光学超构材料、表面等离激元、光波导集成等方面做出一系列创新性成果,多次入选中国光学重要成果/十大进展。在Nature, ﻪNature Nano., Nature Comm., PRL, Light Sci. ﻪAppl.等刊物发表论文逾百篇(引用超5000次)。


责任编辑:柯鹏

推荐阅读
14日,庆祝香港回归祖国25周年“壮族三月三”走进港澳系列活动启动仪式在广西南宁主会场、香港分会场以线上直播方式同步进行,展示广西绚丽多彩的民族文化。

2022-04-14 20:31:49

记者从福建省交通检疫组获悉,福建省近日制定关爱货车司机保通畅十条措施,帮助货车司机解决通行困难,保障医疗物资、民生物资、重点生产物资的运输供应。

2022-04-14 18:12:40

记者从14日召开的教育部新闻发布会上了解到,《新时代基础教育强师计划》近日印发。强师计划从加强师范院校建设、完善教师培养环境

2022-04-14 12:22:34

记者14日从交通运输部了解到,受疫情影响,截至4月12日24时,各省(区、市)高速公路共关闭收费站517个、占收费站总数4.79%,比10日减少161个,下降23.75%

2022-04-14 12:22:34

我国在氢能加注方面获得新突破,已累计建成加氢站超过250座,约占全球数量的40%,加氢站数量位居世界第一。

2022-04-13 18:20:50

记者从国务院国资委了解到,国资委已组织中核集团、通用技术集团、国药集团、航天科技集团、航空工业集团、中国建筑集团、华润集团、中国电建、中国化学工程、中国诚通10

2022-04-13 12:08:06