據外(wai)媒報道(dao)，照相(xiang)機(ji)已經存(cun)在很長時間(jian)(jian)，使用拋(pao)光玻(bo)璃(li)作為鏡(jing)頭(tou)的時間(jian)(jian)則幾乎跟(gen)它們出(chu)現的時間(jian)(jian)一樣長。在拋(pao)光玻(bo)璃(li)鏡(jing)頭(tou)，一個(ge)精(jing)確的曲率允許鏡(jing)頭(tou)聚焦(jiao)光并(bing)提供攝影師銳利(li)的圖像。如果想要改(gai)變焦(jiao)點，通(tong)常需要透鏡(jing)通(tong)過(guo)傾斜、滑動(dong)或(huo)通(tong)過(guo)機(ji)械(xie)部件進行物(wu)理(li)移(yi)動(dong)來實現。

然而這些機械部件增加了(le)顯微鏡和望遠鏡的(de)(de)(de)復雜性和體(ti)(ti)積(ji)。對此(ci)，MIT的(de)(de)(de)工(gong)程師們開發出了(le)一種新(xin)型的(de)(de)(de)可調(diao)金屬，它可以在不改變物(wu)(wu)體(ti)(ti)物(wu)(wu)理(li)位置(zhi)或形狀(zhuang)的(de)(de)(de)情況下聚焦于多個深度的(de)(de)(de)物(wu)(wu)體(ti)(ti)。鏡頭(tou)不是玻璃做的(de)(de)(de)，相反，它使用的(de)(de)(de)是一種透明(ming)的(de)(de)(de)相變材料，可以在加熱時重新(xin)排列原子結構。

當它重新排列原子(zi)結構時(shi)，材料跟光相互作用的(de)(de)方式(shi)也(ye)發生(sheng)了變化(hua)。MIT的(de)(de)研(yan)究人員(yuan)使用微小(xiao)而(er)精確的(de)(de)圖案結構蝕刻出(chu)這種材料的(de)(de)表面從而(er)形成一(yi)種以獨特方式(shi)折(zhe)射或反射光線的(de)(de)超表面。當材料的(de)(de)性質發生(sheng)變化(hua)時(shi)，超表面的(de)(de)光學函數(shu)發生(sheng)變化(hua)。

在(zai)MIT的應用(yong)中，當材(cai)料(liao)處于室溫時，它會(hui)聚焦(jiao)(jiao)光線(xian)以在(zai)一(yi)定距離內產生物體(ti)的清晰圖像。當材(cai)料(liao)被加熱時，原子(zi)結構(gou)會(hui)發生變(bian)化從而使超表面將光線(xian)重定向到更(geng)遠(yuan)的物體(ti)上。這(zhe)使得超透(tou)鏡無(wu)需(xu)任何(he)笨重的機械元件就(jiu)可(ke)以調焦(jiao)(jiao)。

目前，MIT的(de)(de)超透(tou)(tou)鏡(jing)可以(yi)在紅外波(bo)段成像(xiang)(xiang)并可以(yi)用于(yu)制造(zao)光(guang)學設備如用于(yu)無(wu)(wu)人機(ji)的(de)(de)微型熱(re)透(tou)(tou)鏡(jing)、用于(yu)手(shou)機(ji)的(de)(de)超緊(jin)湊(cou)熱(re)透(tou)(tou)鏡(jing)及低損(sun)耗(hao)夜視鏡(jing)。MIT的(de)(de)研(yan)究人員稱，他們的(de)(de)發(fa)明(ming)能夠在不同的(de)(de)深度(du)實(shi)現無(wu)(wu)像(xiang)(xiang)差成像(xiang)(xiang)的(de)(de)重疊物(wu)體定位，進而可以(yi)跟(gen)傳統和更龐(pang)大的(de)(de)光(guang)學系統展開競爭。

材料調整

新鏡頭由(you)相變材(cai)料制(zhi)成(cheng)，研究(jiu)團(tuan)隊通過調(diao)整可擦寫CD和DVD中(zhong)常用的(de)材(cai)料來制(zhi)造。它(ta)(ta)被(bei)稱為GST，它(ta)(ta)包含鍺(zang)、銻和碲，其(qi)內(nei)部(bu)結構在被(bei)激光脈沖加熱(re)時會(hui)發生(sheng)變化。這使(shi)材(cai)料可以在透(tou)明(ming)(ming)狀態(tai)和不透(tou)明(ming)(ming)狀態(tai)之間進行切換(huan)，這種機制(zhi)使(shi)CD中(zhong)存儲(chu)的(de)數(shu)據能夠(gou)被(bei)寫入、擦除(chu)和重(zhong)寫。

今年早(zao)些(xie)時(shi)候，研究(jiu)人(ren)員報告稱，在GST中添加了(le)另(ling)一種(zhong)元素硒(xi)，以制造新的(de)相變材(cai)料(liao)：GSST。當(dang)他們加熱新材(cai)料(liao)時(shi)，其原子(zi)結構(gou)從無定形(xing)、無序的(de)原子(zi)纏結轉變為更有(you)序的(de)晶(jing)體結構(gou)。這種(zhong)相移還改變了(le)紅外光穿(chuan)過材(cai)料(liao)的(de)方式，影響了(le)折射能(neng)力，但對透明度的(de)影響卻很小(xiao)。

該團隊想(xiang)知道，是否可以調整(zheng)GSST的開關功能(neng)以根據其(qi)(qi)相位將(jiang)光引導和聚焦在特定點上。這樣(yang)，這種(zhong)材(cai)料就(jiu)可以用作主動(dong)透鏡(jing)，而無需機械部件(jian)來(lai)轉(zhuan)移(yi)其(qi)(qi)焦點。

Shalaginov說：“通(tong)常，當制造光學器件時，要在(zai)制造后(hou)調整其特性非常困難。” “這(zhe)(zhe)就是為(wei)什么擁有這(zhe)(zhe)種(zhong)平臺對于光學工程師來說就像是一個(ge)核心要素，從而使超透鏡可(ke)以在(zai)很(hen)大范圍內有效地切換焦點。”

面臨困難

在傳統的(de)(de)(de)鏡(jing)(jing)頭(tou)中，玻璃(li)是(shi)精確彎曲的(de)(de)(de)，因此(ci)入射光(guang)束會以各種角(jiao)度折(zhe)射離開鏡(jing)(jing)頭(tou)，并會聚在距離一定距離的(de)(de)(de)點處，這就是(shi)鏡(jing)(jing)頭(tou)的(de)(de)(de)焦距。然后，透鏡(jing)(jing)可以在該特定距離處產生任何物體(ti)(ti)的(de)(de)(de)清晰(xi)圖像。要對不(bu)同深度的(de)(de)(de)物體(ti)(ti)成(cheng)像，必須(xu)物理移動鏡(jing)(jing)頭(tou)。

研(yan)究人員(yuan)不(bu)希望依靠(kao)材料的(de)固(gu)定(ding)曲率來引導光，而是希望通過改變焦距隨材料相(xiang)位變化的(de)方式來修(xiu)改基于GSST的(de)金屬元(yuan)素。

在(zai)他們的(de)新研(yan)究中，他們制造了(le)一個1微(wei)米厚的(de)GSST層(ceng)，并(bing)通過將GSST層(ceng)蝕(shi)刻(ke)成(cheng)各種形(xing)狀的(de)微(wei)觀結構，以不(bu)同方式折射光來(lai)創建“超表面”。

顧說：“構(gou)建超(chao)表面的(de)過程(cheng)非(fei)常復雜，需要在(zai)不同的(de)功能之間(jian)進行切換，并且(qie)需要明智地設計使用哪種(zhong)形狀和圖案(an)。” “通過了解材料的(de)行為(wei)方式(shi)，我(wo)們可以(yi)設計一(yi)種(zhong)特定的(de)圖案(an)，該(gai)圖案(an)將集中在(zai)非(fei)晶(jing)態的(de)一(yi)個點上，并轉變為(wei)結晶(jing)相的(de)另一(yi)個點。”

研究人員通過將新(xin)的超透鏡調諧(xie)至紅外光帶的激光束對(dui)其進行(xing)測試，在鏡頭前方一定(ding)距離處，放置了(le)透明物體，該(gai)物體由水平和垂直條的雙面圖案（稱(cheng)為分辨率表）組(zu)成，通常用于測試光學系統(tong)。

透鏡在其初始非晶狀態下產(chan)生(sheng)第(di)一圖(tu)案的清(qing)晰(xi)(xi)圖(tu)像(xiang)。然后加熱(re)鏡片，將(jiang)材(cai)料轉(zhuan)變為結晶相(xiang)。在移除加熱(re)源的情況下，鏡頭產(chan)生(sheng)了同樣清(qing)晰(xi)(xi)的圖(tu)像(xiang)，這次是第(di)二組更遠(yuan)的條(tiao)紋。

Shalaginov說：“我們演示了在兩個不同深度的成像，沒有任何機械(xie)移動。”

實(shi)(shi)驗表明，超透(tou)鏡(jing)可(ke)以(yi)在沒有任何機(ji)械移動(dong)(dong)的(de)(de)情況(kuang)下主動(dong)(dong)改變(bian)焦(jiao)點。研究人(ren)員說，可(ke)以(yi)用集成的(de)(de)微型加熱器制造超透(tou)鏡(jing)，從而以(yi)短(duan)毫(hao)秒的(de)(de)脈沖快速(su)加熱材料。通過改變(bian)加熱條件(jian)，可(ke)以(yi)調諧到其他材料的(de)(de)中間狀態，從而實(shi)(shi)現連(lian)續(xu)的(de)(de)焦(jiao)點調節。

Shalaginov解釋說：“這(zhe)就(jiu)像做(zuo)牛排，可以(yi)做(zuo)成幾分(fen)熟到十分(fen)熟，也可以(yi)做(zuo)成介于兩者之(zhi)間的(de)其(qi)他(ta)任何熟的(de)程(cheng)度(du)。” “將來(lai)，這(zhe)個獨(du)特的(de)平臺將使我們能夠任意控制這(zhe)種超透(tou)鏡的(de)焦(jiao)距(ju)。”