Optics Letters：压电薄膜和超表面制成的可调焦透镜

研究人员首次成功研制出一种新型超表面透镜，这种透镜能够在微小电压作用下，通过压电薄膜调节其焦距。这种新型透镜体积很小、重量很轻，因此将可以用于便携式医疗诊断仪器、基于无人机的三维制图以及其他微型化的应用，从而带来新的可能性。

挪威科技工业研究所智能传感器及微系统的研究项目负责人Christopher Dirdal表示：“这种低功耗、超紧凑的可调焦透镜可以广泛应用于对系统体积、重量和成本都有很高要求的智能传感和成像技术中。此外，可精确调节的超表面为操控光线开辟了全新的途径。”

Dirdal及其同事在Optics Letters上发表了这项新技术。通过对锆钛酸铅（PZT）薄膜施加电压、使其发生形变来改变焦距。这同时也改变了两个超表面透镜之间的间距。

“我们所发明的新方法实现了低电压条件下的超表面透镜快速响应的大位移。”Dirdal说。“与目前最先进的设备相比，新方法能仅需四分之一的电压就可实现两倍于目前最先进设备的面外位移。”

图1 研究人员置有超表面的方形硅片放置在一个MEMS驱动的PZT薄膜环（黄色）上

将两种技术相结合

研究人员使用超表面制造了这种新型透镜。超表面是用纳米结构来操纵光线的平面，由于超表面能将多种功能集成到单个表面上、且有望能用标准的微纳米制造技术实现低成本批量生产，因此吸引了许多科研人员的兴趣。

“迄今为止，大多数利用超表面的系统都是静态的，即系统的光学功能在制造后就无法改变。”Dirdal说。“然而，相机、三维制图激光雷达系统以及全息显示中许多关键光学组件都需要具备自适应能力。”

在传统光学系统中，可调谐性或自适应性通常是通过步进电机、旋转器、磁铁等笨重且耗电的部件来实现的。为实现小体积自适应功能，研究人员将目光转向了微机电系统（MEMS）技术。这种基于芯片的电控机械可移动部件响应速度快、功耗小，且与大批量处理技术兼容，可大大降低光学系统的尺寸、成本和重量。

焦点的移动

虽然MEMS驱动最近已经被用于制造可调焦的超表面透镜，Dirdal及其同事仍然试图实现更优的性能。他们设计了一种装置，超表面悬浮在由PZT薄膜制成的膜环上，施加电压后PZT能移动超表面。

为了演示MEMS-超表面组成的可调焦复合透镜系统，他们在MEMS-超表面之后放置了第二个超表面透镜。通过移动MEMS改变透镜之间的间距，研究人员可以实时调整复合透镜的焦点。

研究人员发现，施加23伏电压可以使PZT薄膜移动超表面7.2微米，将焦距大约改变250微米。他们指出，使用聚焦能力更强的超透镜、同时通过优化MEMS设计实现更长程的驱动，能将这一数值进一步提高。这种可调性将可用于在组织不同深度对神经元/血管进行成像等应用中。

图2 图中的电子显微镜图像展示了硅片中心超表面的纳米结构。纳米柱与纳米柱之间的间距为835纳米，大约比一根头发丝细50倍

研究人员表示，随着MEMS技术的进一步发展，未来有望制造出具有商业价值的可调焦透镜设备。他们同时也在探索如何在不影响光学系统质量的前提下，将MEMS和超表面组合应用于各种要求小体积、轻便、低成本光学器件的应用中。