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研究人员制出比头发细一千倍的平面透镜 (Os pesquisadores fizeram uma lente plana mil vezes mais fina que um fio de cabelo)

Publicado em 25 agosto 2020

巴西圣保罗大学圣保罗卡洛斯工程学院(EESC-USP)的研究人员研制出了一种比人的头发丝还要细一千倍的透镜。它可以作为智能手机的相机镜头,也可以用于其它依赖传感器的设备。

“在目前的技术条件下,它的应用几乎是无限的。”埃米利亚诺·雷森德·马丁斯(Emiliano Rezende Martins)告诉法国法皮尤通讯社(Agencia FAPESP),他是EESC-USP电子工程与计算系的教授,也是这篇关于此项发明的论文的最后作者。

这篇论文的题目是“关于任意宽视场的超透镜”,发表在ACS光子学杂志上。该研究由FAPESP通过向博士候选人、论文第一作者奥古斯托·马丁斯(Augusto Martins)提供海外研究实习奖学金来支持。

这种透镜由单层纳米硅层构成,该硅层位于与光相互作用的纳米硅阵列上。这种结构是用一种制造晶体管的著名技术——光刻技术印刷的。

这种透镜被称为超透镜。超透镜材料在十年前首次被开发出来,利用一种被称为超表面的超薄波导阵列,使光线通过透镜时发生弯曲,从而达到物理上可行的最高分辨率。

根据Rezende Martins的说法,超透镜材料长期以来都面临着视角极小(小于1度)的问题。“解决这个问题的一种方法是结合超透镜,形成复杂的结构,”他说。

在传统透镜中,折射率的增加会使视场的大小与透镜的平整度成正比,基于这一认识,作者设计了一种超透镜来模拟一个完全平面的透镜,其折射率是无限的,这是传统透镜无法获得的。

“我们的镜头有一个任意的视场,理想情况下可以达到180度而不失真,”Rezende Martins说。“我们已经在110度的角度测试了它的有效性。在更宽的视角下,由于阴影效应,光能会降低,但这可以通过后处理得到纠正。”

超透镜的结合防止了超分辨率,但获得的分辨率对于所有传统应用都是足够的。马丁斯用3d打印相机测试了这些超透镜,并获得了宽视场的高分辨率图像。他说:“到目前为止,我们只成功地拍摄了绿色的照片,但在未来的几个月里,我们将升级镜头,让所有颜色都可以拍摄。”

原文来源:https://phys.org/news/2020-08-flat-lens-thousand-thinner-human.html

Pesquisadores do Instituto de Engenharia de São Paulo Carlos (EESC-USP) da Universidade de São Paulo desenvolveram uma lente mil vezes mais fina que um fio de cabelo humano. Ela pode ser usada como uma lente de câmera para smartphones e também pode ser usada para outros dispositivos que dependem de sensores.

“Nas condições técnicas atuais, suas aplicações são quase ilimitadas.” Emiliano Rezende Martins (Emiliano Rezende Martins) disse à francesa FAPESP (Agência FAPESP), ele é EESC-USP Eletrônica Professor do Departamento de Engenharia e Computação e o autor final deste artigo sobre esta invenção.

O título deste artigo é "Sobre as hiperlentes do campo de visão arbitrariamente amplo", publicado na ACS Photonics. A pesquisa contou com o apoio da FAPESP com a oferta de bolsa de estágio de pesquisa no exterior para o doutorando e primeiro autor da tese Augusto Martins.

Essa lente consiste em uma única camada de nano-silício em uma matriz de nano-silício que interage com a luz. Essa estrutura é impressa em fotolitografia, uma técnica bem conhecida de fabricação de transistores.

Esse tipo de lente é chamado de hiperlente. O material metalens foi desenvolvido pela primeira vez há dez anos, usando uma matriz de guia de ondas ultrafina chamada metassuperfície para dobrar a luz à medida que ela passa através da lente para atingir a resolução fisicamente mais alta possível.

Segundo Rezende Martins, os materiais metalens há muito enfrentam o problema dos ângulos de visão extremamente pequenos (menos de 1 grau). "Uma maneira de resolver esse problema é combinar hiperlentes para formar estruturas complexas", disse ele.

Em uma lente tradicional, o aumento do índice de refração torna o tamanho do campo de visão proporcional ao achatamento da lente.Com base nesse conhecimento, o autor projetou uma hiperlente para simular uma lente totalmente plana, cujo índice de refração é infinito. Isso não está disponível com lentes tradicionais.

“Nossa lente tem um campo de visão arbitrário, idealmente pode chegar a 180 graus sem distorção”, disse Rezende Martins. "Testamos sua eficácia em um ângulo de 110 graus. Em um ângulo de visão mais amplo, a energia da luz será reduzida devido ao efeito de sombra, mas isso pode ser corrigido pelo pós-processamento."

A incorporação de super lentes evita a super resolução, mas a resolução obtida é suficiente para todas as aplicações convencionais. Martins testou essas hiperlentes com uma câmera impressa em 3D e obteve imagens de alta resolução com amplo campo de visão. Ele disse: "Até agora, só tiramos fotos verdes com sucesso, mas nos próximos meses, vamos atualizar as lentes para que todas as cores possam ser tiradas."

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