加州理工学院的工程师们近日开发了一种新型平面光学透镜系统，该系统可以轻易地实现批量生产，并且还能与图像传感器进行集成。
这一光学透镜系统有望能为包括手机乃至医疗设备等在内的几乎所有领域，带来更为便宜，更为轻巧的相机。
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两层镶嵌着硅纳米柱的超材料组成的平面透镜
该技术的实现依赖于将两个超颖表面（metasurfaces）进行堆叠。
超颖表面本质上是具有特殊电磁特性的材料层片，而这些特性可以根据技术需要进行调整。
该研究中所使用的超颖表面由
尺寸小于1微米的硅圆柱体组成
，而这种独特的表面能够使得经过它们的光发生改变。
加州理工的安德雷·法拉朗（Andrei Faraon）说，
“我们制造镜头的方法仍然与数百年前的列文虎克相差无几，这一现状终于在今天得到了改变”
，他说的是荷兰科学家，镜头制造家安东尼·范·列文虎克（Antonie Van Leeuwenhoek），列文虎克创造了世界上的第一批光学显微镜。
加州理工学院工程与应用科学系下属的应用物理与材料科学助理教授法拉朗（Faraon）、加州理工学院的博士后研究员阿米尔·阿巴比（Amir Arbabi）以及来自三星电子的韩承勋（音译，Seunghoon Han）一起合作完成了镜头系统的开发工作。
他们的工作于11月28日发表在《自然快报》（Nature Communication）上。
一块由塑料或玻璃制成的经典透镜通常具有弯曲的外形，从而使得入射光的路径弯曲并形成单个焦点。
这一手段得以奏效的原因在于，
光在穿过位于透镜边缘的较薄玻璃处的速度要高于穿过透镜中心较厚的玻璃。
而完成同样的任务，
超颖表面则依赖于位于其表面之上的硅纳米柱
。这些纳米柱的高度仅约为600 纳米，而直径则分布在数百纳米的范围内（作为比较，一根人的头发直径为十万纳米左右）。
▲ 与单层（右）相比，两层纳米柱得到了更为宽广的清晰度（左）。
每一个超颖表面都包含有数千万个这样的微小纳米柱。
光能以更快的速度透过直径尺寸更小的纳米柱
，因而工程师们可以借由调整纳米柱的宽度，实现精密地调节光线穿透超颖表面所使用的路径，进而实现平面透镜的制备。
早期基于纳米柱的超颖表面获得的图像在边缘区域较为模糊，就像我们在那些普通放大镜中看到的一样。
然而，通过将两个超颖表面耦合，并使每个表面上的纳米柱都朝向外侧，工程师们终于能够搭建一个能够实现70度角范围内光线捕捉与聚焦的透镜系统。这也是该技术第一次能够应用于显微镜和相机成像中。
阿巴比说：“超颖表面的生产工艺与计算机芯片的制造工艺类似，
因而像这样的超颖表面可以很容易地实现批量生产
。这意味着，
这一技术将是一种便宜而且易扩展的手段，并能够用于打造直径仅有几毫米的微小透镜。
此外，由于超颖表面打造的透镜与CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器使用相同的材料与制造技术，因而两者还能实现无缝集成。微芯片 CMOS图像传感器是数字摄影的基础，最早由JPL开发。
法拉朗还表示，对于配备照相机的各种消费电子产品，以及包括内窥镜等医疗设备而言，它们对于扁平，轻便与便宜的镜头都具有十分巨大的需求。
接下来，团队计划将这些镜头集成到小型化的相机和显微镜中，并扩展其功能和操作方式。
编辑：胡仲略
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