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電控變焦

（映維網(wǎng)Nweon?2022年12月08日）AR/VR頭顯，業(yè)界正積極探索令設(shè)備變得輕巧，同時(shí)確保圖像清晰的方式。遺憾的是，這個(gè)任務(wù)在光學(xué)層面面臨著一個(gè)關(guān)鍵的限制：傳統(tǒng)透鏡是會(huì)把不同波長(zhǎng)光線聚焦在不同位置的曲面玻璃，從而導(dǎo)致模糊的影像。所以，無(wú)論是智能手機(jī)攝像頭還是大型投影儀，它們都會(huì)采用多透鏡設(shè)置。然而，這增加了重量，厚度與復(fù)雜度，同時(shí)提高了成本。

所以，行業(yè)早就把目光投向了超表面（MetaSurface），一種厚度小于波長(zhǎng)的人工層狀材料，并且可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波偏振、振幅、相位、極化方式、傳播模式等特性的靈活有效調(diào)控。

利用超表面（MetaSurface）來(lái)聚焦光線的平面透鏡則稱為超透鏡（MetaLens），它能夠合適地將光譜中的不同顏色光線聚焦在同一點(diǎn)。超透鏡具有超緊湊的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠在更廣泛的光線范圍內(nèi)提供更高質(zhì)量的成像，無(wú)需多透鏡設(shè)置。

對(duì)于超透鏡，社區(qū)最關(guān)注的領(lǐng)域之一是可切換和有源超透鏡。

通常，有源超透鏡可以實(shí)現(xiàn)類似機(jī)械可調(diào)變焦物鏡的調(diào)整。換句話說(shuō)，除了上面提到的優(yōu)勢(shì)，有源超透鏡同時(shí)可以在不采用機(jī)械調(diào)焦的情況下實(shí)現(xiàn)變焦功能。

具體而言，超透鏡的切換依賴于所用材料的光學(xué)性質(zhì)在外部刺激下的變化。其中，相關(guān)變化是由溫度、化學(xué)或電學(xué)驅(qū)動(dòng)，而后者是電光器件最理想的選擇。

然而，大多數(shù)當(dāng)前的有源超透鏡方法都不會(huì)對(duì)納米天線材料本身進(jìn)行電切換。事實(shí)上，圍繞超透鏡的材料或超透鏡材料本身都是被動(dòng)調(diào)整/改變，從而限制了可實(shí)現(xiàn)的切換對(duì)比度、功能性和總體設(shè)計(jì)自由度。

作為對(duì)比，使用具有電驅(qū)動(dòng)金屬到絕緣體轉(zhuǎn)變的智能功能材料制成的納米天線將允許根據(jù)需要完全打開(kāi)或關(guān)閉超透鏡，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

日前，德國(guó)斯圖加特大學(xué)的研究人員就展示了這種由可電切換的超透鏡。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)僅±1的外加電壓，等離子超透鏡能在完全開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)之間切換。

斯圖加特大學(xué)的聚合物超透鏡概念如圖1所示。它由兩個(gè)獨(dú)立的可電切換超透鏡（1和2）組成，放置在ITO（氧化銦錫）涂層基底之上，并由電解質(zhì)隔開(kāi)（圖1a）。

每個(gè)超透鏡包括等離子體聚合物納米天線，其可通過(guò)+1V和-1V的施加電壓在金屬狀態(tài)和絕緣狀態(tài)之間切換。特別地，納米天線的等離子體共振可以完全電接通或斷開(kāi)。

這個(gè)概念與使用相變材料的納米天線的其他直接方法截然不同。后者的材料通常由溫度切換，同時(shí)轉(zhuǎn)變采用結(jié)構(gòu)重新取向（例如非晶態(tài)到晶態(tài)），因此造成的是折射率變化而不是金屬到絕緣體的轉(zhuǎn)變。通過(guò)使用電阻加熱，這種溫度輔助開(kāi)關(guān)機(jī)制可以顯著加快，但需要相當(dāng)高的電壓（5V–25V） 。

在團(tuán)隊(duì)的概念中，+1?V已經(jīng)足以切換成金屬狀態(tài)，從而使單個(gè)超透鏡變?yōu)榇蜷_(kāi)狀態(tài)。-1V則切換成絕緣體，從而關(guān)閉折射。

取決于施加到單個(gè)聚合物超透鏡的電壓，研究人員獲得四種不同的輸出狀態(tài)，如圖1b–e所示。

在圖1b中，超透鏡1打開(kāi)（+1?V） 而超途徑2關(guān)閉(?1 V） 。只有超透鏡1聚焦入射的準(zhǔn)直光束。物鏡具有焦距f1

在圖1c中的反轉(zhuǎn)情況（超透鏡1關(guān)閉，超透鏡2打開(kāi)）僅使超透鏡2聚焦入射光。物鏡具有焦距f2。

在圖1d的第三種情況下（超透鏡1打開(kāi)，超透鏡2打開(kāi)），團(tuán)隊(duì)獲得了唯一的多焦點(diǎn)狀態(tài)。由于團(tuán)隊(duì)提出的超透鏡使用幾何相位和圓偏振光的一般工作原理，兩個(gè)超透鏡不會(huì)相互影響。入射的右圓偏振（RCP）光聚焦為左圓偏振（LCP）光，反之亦然。這意味著聚焦光相對(duì)于入射光是交叉偏振。兩個(gè)超透鏡分別聚焦入射的圓偏振光，從而獲得兩個(gè)焦點(diǎn)，如圖1d所示。

在圖1e中，沒(méi)有聚焦光，當(dāng)施加電壓為?1 V時(shí)，超透鏡1和超透鏡2均關(guān)閉。

當(dāng)然，盡管可以通過(guò)電控實(shí)現(xiàn)變焦功能，但團(tuán)隊(duì)坦承目前的聚焦效率有待提高。

如上圖所示，研究人員獲得了FWHM（半峰全寬）為81?μm的焦點(diǎn)，照射波長(zhǎng)λ?=?2.65?μm。請(qǐng)注意，理論衍射極限FWHM約為10?μm，這是假設(shè)完美的單色照明并忽略了色散和像差。像差的一個(gè)潛在原因在于大面積聚合物超透鏡的制造，它對(duì)制造誤差依然相當(dāng)敏感，而這種不精確性可以由電子束光刻的write-field對(duì)準(zhǔn)或由半定向氬干法蝕刻引起。

另外，直徑為1.5?mm的超透鏡是由100?μm?×?100?μm write-fields的亞單位設(shè)計(jì)。因此，這意味著超透鏡的聚合物納米天線將顯示出與理想形狀/尺寸，以及與準(zhǔn)確位置和旋轉(zhuǎn)角度的偏差，而這會(huì)引入像差。同時(shí)，研究人員達(dá)到了紅外攝像頭的分辨率極限，而這可能會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的錯(cuò)誤。

到目前為止，所述超透鏡的聚焦效率為0.8%。它受到等離子體共振的整體調(diào)制的限制，如圖2d所示。所以，材料工程以及優(yōu)化金屬聚合物的摻雜水平將提高未來(lái)的聚焦效率。

接下來(lái)，我們將注意力轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)性能。如圖3a所示，使用液體電解質(zhì)中的電化學(xué)設(shè)置進(jìn)行電氣切換。它包括一個(gè)三電極裝置，涉及一個(gè)參考電極和一個(gè)對(duì)電極。請(qǐng)注意，電化學(xué)電池可以用紫外敏感膠或熱塑性塑料完全空氣密封。

為了促進(jìn)與AR/VR設(shè)備的集成，液體電解質(zhì)可以用凝膠狀或固體電解質(zhì)代替。在團(tuán)隊(duì)的配置中，聚合物金屬本身充當(dāng)工作電極，并通過(guò)ITO層接觸。

同時(shí)，使用位于超透鏡焦平面內(nèi)的紅外攝像頭對(duì)透射強(qiáng)度和光束輪廓進(jìn)行成像。最重要的是，圖3b證明聚合物超透鏡可以根據(jù)需要在打開(kāi)和關(guān)閉狀態(tài)之間切換。

電壓為+1?V將納米天線的等離子體共振打開(kāi)，從而打開(kāi)超透鏡（右）。聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘贍顟B(tài)，研究人員在焦平面觀察到一個(gè)焦點(diǎn)。相比之下，?1 V關(guān)閉等離子共振和超透鏡（左）。聚合物切換到絕緣狀態(tài)。。最后，在打開(kāi)和關(guān)閉狀態(tài)之間的電光切換可逆，并且可以在數(shù)百個(gè)切換周期內(nèi)重復(fù)，切換頻率最高達(dá)到33?Hz。

上面提到團(tuán)隊(duì)研發(fā)的超透鏡可以在四種不同狀態(tài)之間切換，而結(jié)果如圖4b所示。

在第一狀態(tài)（最上方，）中，超透鏡1被設(shè)置為打開(kāi)（+1?V） 而超透鏡2設(shè)置為關(guān)閉(?1 V） 。只有超透鏡1聚焦入射的圓偏振光束，并且可以在位置z?=?6mm發(fā)現(xiàn)焦平面F1有單個(gè)焦點(diǎn)。

?第二種狀態(tài)（超透鏡1設(shè)置為關(guān)閉，超透鏡2設(shè)置為打開(kāi)）切換物鏡的焦距，可以在位置 z?=?8.5?mm發(fā)現(xiàn)焦平面F2有單個(gè)焦點(diǎn)。

另外，團(tuán)隊(duì)同時(shí)利用物鏡實(shí)現(xiàn)了另外兩種狀態(tài)。通過(guò)+1V的外加電壓同時(shí)打開(kāi)兩個(gè)超透鏡1和2，從而創(chuàng)建多焦點(diǎn)物鏡。研究人員在焦平面F1和F2都獲得了焦點(diǎn)。

然后，通過(guò)將?1?V施加到兩個(gè)聚合物超透鏡（圖4b最下方），將兩者設(shè)置為關(guān)閉并進(jìn)入絕緣狀態(tài)。這時(shí)沒(méi)有觀察到焦點(diǎn)。

相關(guān)論文：Electro-active metaobjective from metalenses-on-demand

總的來(lái)說(shuō)，德國(guó)斯圖加特大學(xué)通過(guò)使用光學(xué)金屬到絕緣體過(guò)渡展示了按需電切換。研究人員觀察到超透鏡的打開(kāi)和關(guān)閉狀態(tài)。團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，未來(lái)可以進(jìn)一步提高聚焦效率和切換速度，例如可以通過(guò)改變納米天線的總體尺寸（要切換的材料更少）、通過(guò)移除納米天線頂部的SiO2覆蓋層（更大的表面用于電解質(zhì)）、或通過(guò)使用不同的電解質(zhì)。

同時(shí)，通過(guò)將兩個(gè)超透鏡結(jié)合到一個(gè)元物鏡中，團(tuán)隊(duì)展示了包括多焦點(diǎn)狀態(tài)在內(nèi)的四種不同狀態(tài)。對(duì)于未來(lái)的方法，研究人員提到這種超透鏡可以用到AR/VR設(shè)備。當(dāng)然，他們的目標(biāo)是更高的電荷載流子密度和更短的等離子體波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)電信甚至可見(jiàn)光范圍內(nèi)的可切換等離子體操作。隨著技術(shù)的發(fā)展，德國(guó)斯圖加特大學(xué)認(rèn)為“甚至用于AR和VR應(yīng)用的可見(jiàn)視頻速率全息圖都將實(shí)現(xiàn)”。

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