近日，美国西北大学的科研团队开发出一种由金属纳米颗粒和聚合物组成的光学元件：超透镜。有朝一日，它将取代传统的折射透镜，实现便携式的成像系统和光电子器件。

背景

透镜是一种基础光学元件，在日常生活中被广泛应用，例如相机、眼镜、显微镜等。传统透镜对于不同波长的光线具有不同的折射率，因此无法将各种颜色的光线聚焦到同一点上，从而产生色差，导致图像失真。

为了解决色差的问题，传统的成像系统将多个不同厚度和材质的曲面透镜叠加在一起。但是，这种解决方案却是以增加系统复杂度和重量为代价的。

（图片来源：苹果公司）

然而，一种新型透镜可以解决上述问题，这就是超透镜。超透镜具有扁平表面，能利用纳米结构聚光让入射光投射到期望的地方。超透镜轻薄小巧，功能大大超越传统透镜。作为光学领域的一项GE命性技术，它有望传统光学系统中繁琐的透镜组，使得手机、相机、监控摄像头等产品都变得更小、更薄、更轻。

平面超透镜（图片来源：参考资料【2】）

下图展示了两种平面透镜。前景部分，一种新型平面透镜将所有颜色的光线聚焦于同一点。作为对比，背景部分的平面镜头无法进行颜色校正。

（图片来源：哥伦比亚大学）

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近日，美国西北大学的科研团队开发出一种由金属纳米颗粒和聚合物组成的光学元件。有朝一日，它将取代传统的折射透镜，实现便携式的成像系统和光电子器件。这种多功能的平面透镜是超透镜，厚度不足人类发丝宽度的百分之一。相关论文*近发表在《ACS Nano》期刊上。

（图片来源：参考资料【3】）

技术

超透镜的特性取决于如何合理设计纳米单元的排列组合。超透镜已成为平面透镜的一个非常引人注目的选择，但目前却受制于它们静态的制备特性以及复杂昂贵的制造工艺。

然而，对于缩放和聚焦等成像操作来说，大多数超透镜无法在没有物理运动的情况下调整焦点。温伯格艺术与科学学院化学系教授、这项研究的Teri W. Odom表示，一个主要原因就是这些透镜的构建模块是由坚硬的材料组成，这些材料一旦制成就无法改变形状。在任何材料系统中，调整纳米尺度的特征，从而在超透镜中获取可调谐的聚焦，都是非常困难的。

西北大学纳米技术国际研究所成员Odom表示：“在这项研究中，我们演示了一种多功能成像平台，它是基于银纳米颗粒制成的可重新配置的超透镜。在单次成像过程中，我们的超透镜设备可以从单焦点透镜演变成多焦点透镜，多焦点透镜可以在任意可编程的三维位置形成多幅图像。”

（图片来源：美国西北大学）

西北大学团队通过圆柱形银纳米颗粒阵列以及位于金属阵列之上形成块状图案的聚合物层，构建出了他们的透镜。通过简单地控制聚合物图案的排列，纳米颗粒阵列能引导可见光到达任何目标焦点，而无需改变纳米颗粒的结构。

这种可伸缩的方法使得不同的透镜结构可以通过一步擦写制成，在多次擦写循环之后，不会带来明显的纳米特征退化。这项技术可以使用由弹性体制成的软掩膜，将任何预制的聚合物图案重新变为任何期望的图案。

价值

Odom表示：“这种小型化技术以及与探测器的整合，有望为从小型广角摄像头到微型内窥镜的一系列设备带来高分辨成像。”