具有电控变焦功能的液晶超透镜

研究人员发明了一种基于液晶的超薄透镜，可借助电压调节实现连续缩放和重新聚焦；调节过程无需借助机械部件（文章见：Nano Letters, doi: 10.1021 / acs.nanolett.1c00356）。该团队表示，这一超薄透镜有望在空间有限、承载有限的地方替代传统笨重的机械变焦透镜系统。

图1 由康奈尔大学和三星公司的工程师开发的超薄透镜的概念性渲染图。这一透镜结合了超表面和液晶阵列技术，可实现电控变焦

研究人员最初的研究目的是希望将这种新型透镜用于AR眼镜中。美国康奈尔大学博士后、文章共同作者Maxim Shcherbakov表示，“（这种透镜的）潜在的应用范围远远不限于”AR设备。“这种透镜可以用于任何需要超薄透镜光学系统中，作为基础部件使用，如航空成像、显微镜及其他光学系统。”

超透镜成像

这种新型设备属于新兴的“超透镜”的一种。超透镜是一种镜片厚度不足一微米、由超表面制成的透镜。此前，超表面就因在平面光学、偏振器和全息图设计中独特的光学特性引人注目，然而以前的超透镜只有一个固定的焦距。此篇最新发表的文章将液晶阵列和超透镜相结合，成功发明了多焦点的超透镜。

这一毫米级的透镜由康奈尔大学和三星先进技术研究所的研究人员共同设计，通过在液晶单元中添加微小的硅基纳米颗粒制成，当在上下夹住液晶单元的电极上施加电压时，液晶分子就会按一定的方向排列；其排列方式会影响纳米粒子的共振，从而改变透镜的焦点。

通过改变电压，液晶分子能以不同的角度排列，从而产生特定的焦距。在变焦模式下，新型透镜可以在某特定焦距20%的范围内提供连续缩放。

克服重重障碍

研究团队表示，他们此前曾做过将金属与液晶阵列结合的尝试，但此项研究是首次成功的概念验证。

Shcherbakov说：“这次实验的成功之处在于，我们对一万种不同的纳米颗粒候选材料进行了筛选——这是一个非常复杂的过程。”在经过数值计算、确定了可能可行的候选材料后，研究人员在超透镜上进行了测试。“样品制作完成，并达到了令人满意的效果。”

在进一步广泛应用之前，此项概念验证设计仍存在一些待解决的问题。目前这种透镜只在特定的红光、特定偏振态下工作。研究人员已在研究如何使其在多波长和任意偏振态下工作，并致力将焦距范围扩大两倍，同时将透镜尺寸扩展到5到10毫米。