利用摩尔纹的超表面广角透镜

透过偏光眼镜观察手机或者电脑屏幕时，可以看到奇怪的波浪状图案，这种图案被称为摩尔纹。将一种兼具不透明和半透明部分的材料，与另一种对比度相近的材料以一定角度叠加，就会出现摩尔纹。这种纹样帮助研究人员向更薄、更轻的透镜迈出了崭新的一步。来自东京农工大学的一组研究人员已证明，由人造“超”原子组成的微型摩尔纹超透镜，可以在前所未见的宽范围内调节焦距。研究结果发表于美国光学学会期刊Optics Express上。

东京农工大学大学机械工程系副教授、本文作者Kentaro Iwami说：“由于超透镜非常轻薄，可以用于新一代智能手机、虚拟现实眼镜、无人机以及微型机器人等超紧凑的成像系统中，因此受到了许多关注。” Iwami说，目前问题在于，为了在预期的应用中保持超透镜的高度紧凑性，超透镜的焦距调节范围十分有限。焦距在毫米量级，由透镜形状决定，表征着视角和放大倍数。

凸透镜的焦距是正数，可以将光线聚焦到同一个点上；而凹透镜的焦距是负数，会使光线发散。Iwami说，变焦透镜结合凸透镜和凹透镜的功能，成像更完整、更清晰——但在超透镜这样紧凑的结构上，很难实现从负到正的焦距调节。

图1 透镜工作机理示意（东京农工大学大学Kentaro Iwami供图）

Iwami说：“我们发现，可转动摩尔纹超透镜能够实现从凸面镜到凹面镜的宽焦距调谐。”研究人员发明了具有高对比度人工“超”原子超透镜，原子由非晶硅八角形柱组成。将一个超透镜叠加到另一个超透镜上产生摩尔纹，通过旋转透镜，即可借助红外光改变透镜焦距。

接下来，研究人员计划在可见波长范围内实现宽焦距调节，并改进镜头质量。他们的最终目标是设计实现完整的超紧凑成像系统。

原文见：Kentaro Iwami, Chikara Ogawa, Tomoyasu Nagase, and Satoshi Ikezawa,"Demonstration of focal length tuning by rotational varifocal moiré metalens in an ir-A wavelength," Opt. Express 28, 35602-35614 (2020), https://doi.org/10.1364/OE.411054。