可见光宽带连续变焦超构透镜组，有望用于智能手机和AR设备
2022-07-11 21:32:32   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

超构表面（Metasurfaces）可以在亚波长水平实现对入射光相位、振幅、偏振的任意控制。因此，超构表面在平面透镜、全息、光束产生、偏振器件等领域具有巨大的应用潜力。尤其是变焦超构透镜，它可以提供传统折射变焦透镜难以实现或不可能实现的诸多优势，例如紧凑性和高集成度。通常，设计变焦超构透镜主要有两种调制机制，包括电子调制和机械调谐。

值得注意的是，与传统折射变焦透镜相比，超构透镜组理论上可以在不影响光学系统紧凑性的情况下实现从-∞到∞变焦。然而，大多数可调谐或可重构超构透镜受限于色差只能在窄带范围内工作。

为了解决色差问题，大多数宽带超构透镜都基于色散工程和多波长设计。简而言之，色散工程方法可以通过同时调制超原子的群延迟和群延迟色散，从而理想地实现连续消色差聚焦。然而，由于有限的群延迟范围，通常需要在数值孔径、直径和工作频带之间进行权衡。另一方面，通过使用交错和多层设计，超构透镜也可以在多波长下工作。多波长设计可以缓解色散工程的挑战，而不需要严格的线性色散。

据麦姆斯咨询介绍，华中科技大学光学与电子信息学院副教授赵茗研究团队通过可见光波段的多波长设计实现了一种消色差连续变焦超构透镜组。该宽带消色差变焦超构透镜组受启发于Moiré透镜原理，通过在可见光波段全局优化超构透镜组的多波长相位分布实现。为了概念验证，研究人员通过数值验证了一款偏振不敏感超构透镜组，可以在440 nm、540 nm和640 nm波长实现消色差可调聚焦，变焦能力高达10倍，最大相对焦距偏移低于9.08%，最大聚焦效率为86.2%。

宽带消色差超构透镜组及超原子设计原理。（a）宽带变焦超构透镜组示意图。通过改变超构透镜组的旋转角度，可以实现任意焦距。SiO₂和TiO₂材料分别用黄色和蓝色表示。（b）两个半径为9 μm超构表面的俯视图，比例尺为1 μm。（c）由不同颜色点标记的超原子图示。（d-e）440 nm、450 nm和640 nm波长处超原子库的相位和透射率。

连续变焦超构透镜组的消色差聚焦性能。（a-c）440 nm波长模拟结果。（d-f）540 nm波长归一化强度分布。（g-i）640 nm波长归一化强度分布。

研究人员在可见光波段设计了一种宽带连续变焦超构透镜组。该超构透镜组可以实现10倍连续变焦。并且，该消色差变焦超构透镜组具有相对较低的模拟焦距误差（低于10%）、较小的变异系数（约5%）和较高的效率（高达86.2%）。

此外，这种设计可以通过更丰富的库和超构透镜组相位的精确优化实现更出色的变焦能力。总的来说，研究人员提出的变焦超构透镜组为实现集成微型光学变焦系统提供了巨大的潜力，有望应用于手机摄像头、显微镜镜头和增强现实（AR）等各个领域。

延伸阅读：

《超材料和超表面技术及市场-2021版》