可以在不移动的情况下聚焦多个深度的透镜

麻省理工学院的工程师们制造了一种可调谐的“超构透镜”，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的，而是由一种透明的“相变”材料制成的。加热后，这种材料可以重新排列其原子结构，从而改变材料与光线相互作用的方式。

研究人员用微小的、精确的图案结构蚀刻这种材料的表面，这些结构共同作用成为“超表面”，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，超表面聚焦光线以产生一定距离的物体的清晰图像。当材料被加热后，它的原子结构会发生变化，作为回应，超表面会改变光线的方向，聚焦在更远处的物体上。

这样，新的主动“超构透镜”可以在不需要笨重的机械元件的情况下调整焦点。这种新颖的设计目前在红外波段内成像，可能会使更多灵活的光学设备成为可能，如无人机的微型热镜、手机的超紧凑热成像相机和低调的夜视镜。

“我们的结果表明，我们的超薄可调谐镜头没有动作零件，可以实现位于不同深度的重叠物体的无像差成像，竞争传统的庞大的光学系统，”麻省理工学院材料研究实验室的研究科学家田古说。

顾和他的同事们今天在杂志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MIT的Anuradha Agarwal;麻省理工学院林肯实验室的弗拉迪米尔·利伯曼、杰弗里·周和克里斯托弗·罗伯茨;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

这种新镜头是由一种相变材料制成的，该材料是该团队通过调整一种通常用于可重写cd和dvd的材料制成的。它被称为GST，由锗、锑和碲组成，当用激光脉冲加热时，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、擦除和重写。

今年早些时候，研究人员报告说，在GST中添加了另一种元素硒，以制成一种新的相变材料:GST。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，影响了折射能力，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，制作光学设备时，在加工后调整其特性是非常具有挑战性的，”Shalaginov说。“这就是为什么拥有这种平台对光学工程师来说就像圣杯一样，它可以让超构透镜在大范围内有效地切换焦点。”

处境困难

在传统透镜中，玻璃是精确弯曲的，因此入射光束从透镜上折射出不同的角度，汇聚在一定距离的一点，即透镜的焦距。然后，镜头就可以在那个特定距离产生任何物体的清晰图像。为了在不同深度成像物体，镜头必须进行物理移动。

研究人员不依赖于材料的固定曲率来引导光线，而是试图修改基于gst的超构透镜，使其焦距随材料的相位而变化。

在他们的新研究中，他们制造了一层1微米厚的GSST层，并通过将GSST层蚀刻成各种形状、以不同方式折射光线的微观结构，创造了一个“超表面”。

“构建在不同功能之间切换的元表面是一个复杂的过程，需要对使用什么样的形状和模式进行明智的工程设计，”顾说。“通过了解材料的行为，我们可以设计一个特定的图案，聚焦在非晶态的一点，并改变到晶态的另一点。”

他们把这种新型超透镜放在一个舞台上，用调到红外波段的激光束照射它。在镜头前的一定距离，他们放置由水平和垂直条形双面图案组成的透明物体，即分辨率图，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。

“我们在两个不同的深度上表现出成像，没有任何机械运动，”Shalaginov说。

实验表明超构透镜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，超构透镜可以用集成的微加热器制造，以短毫秒脉冲快速加热材料。通过改变加热条件，他们也可以调整到其他材料的中间状态，从而实现连续聚焦调谐。

“这就像烹饪牛排 - 一个从生牛排开始，可以做得好，或者可以做中等的罕见，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。”

- Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE Media and Technology，cvavra@cfemedia.com．