文献阅读 | 平面光学成像器件：超透镜还是衍射透镜？

导读

最近，我读了一篇有关成像的文章^[1]。文章主要讨论超透镜在未来的成像系统中的作用是否被夸大（我不是这个方向的，也有可能说的不够正确）。这篇文章的作者设计了多台阶衍射透镜，并经过模拟计算分析了该衍射透镜的成像结果；结果显示他们设计的衍射透镜要比他们对比的超透镜的成像效果要好很多。作者基于他们的设计结果认为超透镜在成像领域的作用被科研工作者夸大了。

文章概述

随着微纳加工技术以及微纳光学的发展，超材料已经成为一个非常热门的研究课题，超透镜（Fig. 1(e)）便是其中之一。传统的透镜是利用折射来进行成像；若想提高透镜的分辨能力（提升透镜对光线的折转能力；提高数值孔径），就要增加透镜的口径。这样就要将透镜做大，因此对加工工艺过程带来很大的挑战。相比于传统的透镜，衍射透镜（Fig. 1(b)）和超透镜只需要改变组成透镜的分散单元之间的分散距离（周期）就能实现提升分辨力的目的。 Fig. 1 通过(a)折射、(b)衍射改变光线的传播轨迹。(c)传统的二元衍射透镜或衍射光栅，(d)多台阶的衍射透镜，(e)超透镜。多台阶衍射透镜的 (f)侧视图和 (g)俯视图，来自文献[1]。 作者设计了一个如图Fig.1 (d)的多台阶衍射透镜，通过分析模拟计算的结果，他们认为多台阶衍射的透镜的很多光学性能都优于超透镜。Fig. 2是文中将多台阶衍射透镜与超透镜成像性能对比的一个表格。Fig. 3 - Fig. 5 显示了多台阶衍射透镜的成像性能。此外，作者还认为他们设计的衍射透镜比较容易加工，而且衍射透镜对材料的要求并没有那么苛刻（超透镜一般对材料的折射率有一定的要求，比传统透镜要严格些）。由于作者设计的衍射透镜容易加工而且在成像方面表现出了比超透镜更好的成像效果，所以作者认为超透镜在成像方面的作用被夸大。作者并没有否定超透镜等超材料的研究价值；作者认为超材料将会在相位调制等电磁场的操纵方面有很大的研究价值，而且对于集成光学的发展是很有促进作用的。 Fig. 2 超透镜与多台阶衍射透镜的光学性能对比，来自文献[1]。 Fig. 3 窄波段多阶梯衍射透镜性能，来自文献[1]。 Fig. 4 宽波段多台阶衍射透镜性能，来自文献[1]。 Fig. 5 衍射透镜的畸变分析，来自文献[1]。 我个人还是认为这种纳米光学，小尺度的光学，对于我们去认识、改变、创造未来的世界还是很有意义的。

写在最后

读完这篇研究论文我有很多问题。其实大多数问题也都是以前想过的，但却没有认真思考过。对于脑海中这些问题也有一些比较幼稚的看法。我当时大概想了以下几个问题：

1. 科学问题或者说研究课题，它们是否真的有好、坏之分；或者它们真的有是否值得研究之分？
2. 研究课题到底是怎么产生的？研究人员决定研究它之前是否真的思考过一个问题——我为什么要研究这个问题？
3. 很多文章表述的优、缺点是否是“真”的优缺点？但是为了引出自己的研究好像又无法避免这种写作方式。
4. 是否要保持个性（我说的个性，不是染个头发，炫酷吊炸天的那种）？每个人都有自己的路，没有必要别人干啥我们就干啥，不过除了“顶级”的人，这一点是否很难避免。
5. 思考以上问题是否是完全没有意义的？就是吃饱了撑的。世间万物也许本身就没有什么意义，你赋予什么意义就是什么意义，但是大部分你都没有机会去赋予，我们都要接受“世俗”赋予的意义。按照定义的方式去生活就好了。

当你长时间没有成长，为了生活你没有自由去做自己认为有“意义”的事情（当然也是自身能力不行）。你是否想过那些“顶级”的人多花些时间思考，之后去“支配”你去做些有意义的事情；无论是否，都是一件很可悲的事情。

参考文献

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1. Banerji, Sourangsu , et al. "Imaging with flat optics: metalenses or diffractive lenses?." Optica (2019). ↩