光学元器件的发展是光学技术进步的核心内在动力。从结构特点来看,光学元器件已逐步往小型化、轻量化方向发展。前述衍射光学元件的逐步普及,正是该行业发展规律的直观体现。另外,从光电集成角度,具有与成像探测器芯片集成兼容特点的器件将是该领域未来发展的方向。
近年来,以超材料或超表面原理发展起来的超透镜,是光学与光学工程领域的前沿问题。超表面是指在平面空间的许多个单元按照亚波长间隔密集排布的人工微结构阵列。与成像探测器芯片类似,通常采用光刻机、刻蚀机等设备及相关工艺实现超表面加工。因此,两者之间具有良好的集成性。超表面的相位与单元的形状、尺寸、位置和方向相关,通过对此类微结构参数进行调控可以实现光场(相位、振幅、偏振)调控。在此基础上发展出的超透镜是超表面在成像领域中的一种典型应用,其具有平面光学器件特征。从工程学角度来看,超透镜的宏观作用,仍然是对光波产生调制、发散、会聚、成像等方面的作用,其物理尺度(通光孔径)一般在亚毫米量级,在医用内窥、手机模组等需要高度集成、尺度空间紧凑的应用领域,具有无与伦比的优势和广阔的应用前景。图12-17所示为应用于不同波段的超透镜实例照片。与衍射光学元件相比,具有更轻薄的特点,同时具有更易于集成化的前景。
图12-17 不同波段超透镜实例照片(www.xing528.com)
本书前面章节所述的透镜光学系统,都是基于几何光学理论,通过空间光线追迹方法,计算光线在像面上的弥散情况,设计具有一定口径的光学系统。本节关注的超透镜光学元件在宏观成像方面的作用,与普通透镜一样,可以实现光波的聚焦、准直、色散等功能。但其对光波的作用机理,已超越了几何光学及标量衍射理论的适用范畴,并且相应的加工技术也与传统零件加工工艺截然不同,通常采用光刻机、刻蚀机等设备。目前来看,此类加工设备及工艺相对较为复杂,且制作费用高昂。但从长远来看,其具有广阔的应用前景,具有变革性意义。图12-18所示为南京大学研制出的集成超透镜成像装置,由此可见,成像系统正逐步摆脱传统复杂透镜系统的束缚。超透镜设计是光学设计领域的新型前沿问题,出于前瞻性的考虑,本节将对超透镜的设计过程进行简单介绍。
图12-18 集成超透镜成像装置
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