再获突破!新研发的透镜可消除全可见光波段色差

在科技部学术攻顶计划支持下,中央研究院应用科学研究中心蔡定平特聘研究员及台湾大学团队的透镜研究再突破!团队最新研究证实并制作出可消除整个可见光波段中色差的超颖刻作透镜(Achromatic Meta-lens),且成功应用于全彩成像系统。研究成果已于1月29日发表于国际期刊《自然奈米科技》(Nature Nanotechnology)。

日常生活中透镜的应用相当广泛,从眼镜、光学望远镜、摄影镜头与相机感测元件到手机、内视镜以及成像系统等。不过,受限于光学材料的折射率,体积通常较厚大,而且,光学材料的折射率会随光的波长差异而改变,进而产生色差,透镜在全彩影像应用也因而受到极大限制。

超颖界面(metasurfaces)则是一种通过于次波长尺度下操控电磁波特性如相位、振幅与偏振等的光学设计结构,能微型化光电元件。过往研究已成功利用超颖界面展示平面超颖透镜(flat meta-lens),证明超颖透镜的成像能力优于目前广泛使用的物镜。然而,设计方法于实际应用层面仍面临几个重要问题,如色散所产生的色差。

♦ 宽带消色差超颖透镜的光学照片和电子显微镜照片。

蔡定平特聘研究员与研究团队2017年已成功研发出能消除近红外波段(480nm)色差的超颖透镜。今年再进一步利用半导体材料氮化镓,结合「几何相位(Geometric phase)」操控与自创概念「集成共振单元」,成功设计出消除全可见光波段色差的穿透式超颖透镜。

有别于传统消色差光学透镜组,超颖刻作透镜使用单一层设计即能消除色差。在极小体积中达到透镜在宽广频段内消除色差的聚焦效果,对平面型的微光电元件装置的发展十分关键。如此一来,便能缩小光学系统的厚度,设计与制程也更简便,极具实际应用价值。

♦ 利用可见光宽带消色差超颖透镜拍摄的彩色图片。

此研究成果为国际奈米光学与光电领域重要进展之一,对未来轻、薄、多工的平面型光学元件发展亦有极大帮助。

 

来源:科技新报

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