单超透镜助力虚拟增强现实领域新发展学术资讯

▲这个扁平的单超透镜首次将整个可见光谱（包括白光）以高分辨率聚焦于同一个点，采用二氧化钛纳米薄膜组来平均聚焦光波并消除色差。

1月1日发表于《自然·纳米技术》的研究表明，哈佛大学的研究人员开发出了首个单超透镜，可将整个可见光谱的光同时无色差聚焦于同一点，开启了光学设备、虚拟增强现实领域的新应用。

该研究中的超透镜，其扁平表面采用了纳米结构聚光，用简单的平面替代了目前光学器件中笨重的曲面透镜。但其聚光能力仅局限于有限的光谱。现在，哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的研究小组开发出了首个单超透镜，它可以将整个可见光谱的光(包括白光)以高分辨率聚焦在同一个点上。这在传统透镜中只能通过叠加来实现。

聚焦整个可见光谱的光和白光（所有光谱颜色组合）具有很大挑战性，因为每个波长的光都会以不同速度穿过材料。例如，红光的波长比蓝光的要长，所以它们不能同时到达相同位置，会导致焦点不同，进而产生被称为色差的图像失真。

作为该研究的第一作者，也是Robert L. Wallace的应用物理学教授兼SEAS电气工程系高级研究员Federico Capasso说：“超透镜要优于传统透镜。超透镜较薄，易于制造且性价比高。这一研究突破把上述优势扩展到了整个可见光的范围内。这是一个重大的进步。

Capasso团队开发的单超透镜采用二氧化钛纳米薄膜组来平均聚焦光波并消除色差。先前研究表明，通过优化纳米薄膜的形状、宽度、距离和高度，不同波长的光可在不同的距离处得到聚焦。在最新设计中，研究人员创造了成对的纳米薄膜单位，可同时控制不同波长的光的速度。成对的纳米薄膜控制着超表面上的折射率，并且为穿过不同薄膜的光做不同程度的延迟，从而确保所有波长同时到达焦点。

“设计无色差的宽波段透镜时最大的难题之一就是要确保不同点位的波长穿过超透镜后同时到达焦点，” SEAS的博士后研究员，也是该研究的首席作者Wei Ting Chen说： “通过将两个纳米薄膜结合为一个元件，来调整纳米结构材料中的光速，确保使用一个单超透镜就能将可见光中的所有波长都聚焦在同一个点。这较复合的标准消色差透镜，大大减少了透镜的厚度和设计的复杂度。”

接下来研究员的目标是把镜头直径放大到1厘米左右。这将引出一系列新的可能性，例如应用到虚拟和增强现实领域。

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编译：Tracy 审稿：阿淼编辑：张梦

来源：https://phys.org