有哪些犀利的光学透镜？

说到犀利的透镜，这可不是指那种能让你看清远处牌匾的光学大家伙，而是那些能在微观世界玩出花样，甚至改变我们认知“看到”这个概念的家伙。它们的光芒，不是直射而是扭曲、聚焦、操控，如同点石成金的魔法。

1. 艾里透镜 (Airy Lens / Micro Lens Array)：微型阵列的宏大想象

别小看这些微小的透镜，它们被排列成阵列，就像一块蜂巢。但它们的功能可不是产蜜，而是将光线“分配”给不同的传感器。想象一下，你手里拿着一张普通照片，如果它是由艾里透镜阵列捕捉的，你就可以通过软件“选择”照片的焦点，或者甚至“看穿”前景，清晰地展现背景。

犀利之处：突破了传统单反相机“一次对焦”的限制。这意味着你可以拍摄一张照片，然后随时改变它的焦点，这在摄影和3D成像领域具有革命性的意义。它还能制造出“超景深”效果，让整个画面都清晰无比。
具体表现：它们通常非常小，直径可能只有几十微米，比你的头发丝还细。但每一个都独立工作，接收光线，然后根据其角度将光线聚焦到不同的位置。这就像一个微型的“视网膜”，每个小眼都能捕捉到不同角度的信息。
应用场景：手机摄像头（很多现在主打的“先拍照后对焦”功能就离不开它）、3D显示器、安防监控、生物显微镜等。

2. 超表面透镜 (Metasurface Lens)：颠覆传统，无“形”胜有“形”

如果说艾里透镜是微型化的集大成者，那超表面透镜则是光学设计的“炼金术”。它们不依赖于材料的折射率，而是通过在表面设计出亚波长（比光波长还要小的结构）的纳米天线来操纵光。你可以把它们想象成一块带有精密纹路的特殊材料，这些纹路能够以令人难以置信的方式弯曲和聚焦光线。

犀利之处：彻底摆脱了传统透镜厚重、曲面的设计束缚。这意味着透镜可以做得极薄、极平，甚至可以集成到其他平面结构上。它们还能同时实现多种光学功能，例如同时聚焦和偏振光。
具体表现：表面布满了比光波长还小的纳米结构，比如纳米柱、纳米盘等。这些结构以特定的排列方式和尺寸，像一个一个微小的“光之操纵师”，根据入射光的性质，改变光的传播方向、相位甚至偏振状态。
应用场景：超级相机（更轻便、更强大）、VR/AR设备（更轻薄的显示镜片）、全息成像、激光雷达（LiDAR）、通信技术等。想象一下，未来的眼镜可能就是一副轻薄的智能玻璃，由超表面透镜构成，可以瞬间切换各种功能。

3. 变焦透镜 (Zoom Lens) 的“变”与“不简单”

虽然变焦镜头在日常生活中很常见，但其背后的光学设计是极其复杂的。这里说的“犀利”是指那些在保持画面质量的同时，实现更大变焦范围、更小体积，或者更特殊效果的变焦透镜。

犀利之处：能够在不改变镜头物理位置的情况下，调整焦距，从而改变视角和放大倍率。优秀的变焦透镜能在整个变焦范围内保持锐利的成像质量，色彩还原准确，畸变控制优秀。
具体表现：它们通常由多个不同形状和材料的透镜单元组合而成。在变焦过程中，这些单元会协同移动，改变它们之间的距离和相对位置，从而调整整个光学系统的焦距。这就像一个精密运作的“光学乐队”，每个成员都按照严格的指令进行演奏，以达到整体的最佳效果。
具体类型（举例）：
长焦镜头：即使在很远的距离，也能将物体“拉近”，捕捉到清晰的细节。
广角变焦镜头：能够一次性纳入更宽广的场景，非常适合拍摄风光和建筑。
内对焦/内变焦镜头：在变焦或对焦过程中，镜头前后长度不发生变化，更方便使用，也更稳定。
应用场景：摄影、摄像、望远镜、显微镜、安防监控等几乎所有需要改变观察距离和视角的场景。

4. 衍射光学元件 (Diffractive Optical Elements, DOEs)：从“折射”到“衍射”的思维飞跃

传统透镜依靠光的“折射”来聚焦，而衍射光学元件则利用光的“衍射”现象，也就是光绕过障碍物时发生的弯曲。它们通常是平面或微曲面的，上面刻有非常精细的衍射光栅（就像极细密的刻痕）。

犀利之处：能够实现传统透镜难以实现的复杂光路设计，例如同时产生多个焦点，或者将光线分成不同的图案。由于是衍射，它们可以实现非常高数值孔径（NA），这意味着可以收集更多的光线，获得更高的分辨率。
具体表现：表面布满了一系列微小的、周期性的或非周期性的结构（通常是阶梯状或连续变化的相位轮廓），这些结构能够让入射光发生衍射，按照设计好的方式传播。你可能在激光指示器上看到过它，一个点光源可以被衍射成一个点阵。
应用场景：光盘驱动器（聚焦激光）、条形码扫描仪、激光显示、光学加密、先进的照明系统等。

总结一下，这些“犀利”的透镜，并非仅仅是玻璃的形状，它们是：

微纳结构的精妙操纵者：它们通过设计小于光波长的微纳结构，来控制光的行为。
光学功能的集成者：它们能在一个小小的器件上实现多种复杂的光学功能，例如同时变焦、对焦、甚至改变光的颜色。
体积和重量的颠覆者：它们让光学设备变得更轻便、更小巧，甚至可以集成到平面结构中。
成像效果的革新者：它们能够突破传统成像的局限，实现更丰富的视觉效果和更高的成像质量。

可以说，这些透镜就像是光学世界的“黑科技”，它们正在悄悄地改变着我们观看世界的方式，以及我们能够“看见”的东西。它们是科学家和工程师们脑海中创意与物理原理完美结合的产物，每一次技术的进步，都可能为我们带来全新的视觉体验。

网友意见

我就不说很多透镜了，我只说最近看到的一种挺有意思的透镜。

就是微球超透镜（microsphere superlens）。像下图这种：

这不就是个玻璃球吗？？？

我想说的当然不是玻璃球。。。

Q: 微球超透镜有多微呢？

2-9 um，而普通人的头发直径普遍是60-90 um，你可以拔根毛体会一下这个scale。。。

你可别小看这么小的微球，这种微球可以用来做超分辨成像！

研究人员用2-9 um直径的二氧化硅微球（你可以认为是石英）实现了横向最小分辨率为50 nm的白光显微成像。

我们知道，一般白光（就普通光学显微镜用的光源）成像的分辨率受衍射极限限制，一般认为是半波长，大约为250 nm。这个衍射极限公式想必大家普遍知道：

实验装置很简单。。。有多简单？？？

就是把微球放在我们平时用的普通光学显微镜的载物台上，准确的说是贴（直接接触）在载物台的样品上。

Nature communication就这样到手了？？？

是的呢。

这时候知乎大佬跳出来打我的膝盖：NC不就是个水刊吗？

截止目前这篇NC的谷歌引用量（年均引用率65）：

我滴乖乖，这怕不是史上最廉价的光学超分辨系统……

系统结构确定了，这个超分辨样品也比较重要呀，该找找什么样的具有超分辨结构的样品呢？

这个很容易想到，用FIB等手段刻蚀的光栅、纳米孔，结构小于衍射极限就行了。

不过作者竟然想到了用蓝光光盘！！（这可能是最廉价的样品了吧……）。

接着来测试这个超分辨系统的性能：

如上图所示，无论是用显微镜的反射光照模式还是透射模式，该微球透镜都表现出优良的超分辨特性。

上述这篇文章是微球超分辨成像的开山之作，后续产生了多种材料、液体浸没等形式的微球透镜超分辨成像，换汤不换药，这里就不一一展开讨论了。

而同样是该论文作者，现在已经将该技术开发成产品了！

结构如下图所示：

还是挺小巧的，还是电控的呢。

可以用于一些生物组织的显微成像。也可以用来成像一些物理微结构。纳米缝隙，纳米孔，纳米图案等（大家欣赏欣赏图和scale就行）。

有小伙伴对这种微球超分辨系统的原理比较感兴趣，这里我就简单介绍一下：

其实早在2004年就有文章报道了微球对光散射时形成的photonic nanojet（光子纳米射流）这一现象

平面波入射到直径只有几个微米的低折射率微球时，一部分光被散射，另一部分则被聚焦在微球后表面附近，形成了所谓的纳米射流

这种纳米射流光强度分布半高宽具有超衍射极限的特性，这就说明这种微球也许可以用来实现光学超分辨。特性除了和波长有关，还和微球的折射率（也关系到环境折射率）、大小有关。

虽然我们看到高折射率微球的聚焦点在球内，但是如果增加环境折射率，也是可以把纳米喷流转移到球外的。

从物理光学的角度可以分析超分辨的过程：

这些细微结构表面存在指数衰减的倏逝波（evanescent waves），这属于近场范畴。一般来说是不太能被普通物镜收集到，因为倏逝波包含了物体结构的细节信息，也就是高频分量，而物镜NA有限，只能收集远场信息。

当近场和远场收集器之间存在一个媒介后（也就是微球），它充当一个转换器的作用，将微结构表面的近场辐射为远场，进而被物镜收集，这样一来我们就能看到物体的高频分量，也就是细节信息，也就实现了超分辨成像。（很明显，这个过程你的物镜不能是短板，实验中一般用100倍物镜，NA：0.9-1）。

也许你觉得这个实验很简单。

是的，有时候科研就是这样，需要你细心观察，深入挖掘。

你会发现简单的东西也可以不简单。

References：

【1】Wang Z, Guo W, Li L, et al. Optical virtual imaging at 50 nm lateral resolution with a white-light nanoscope[J]. Nature communications, 2011, 2(1): 1-6.

【2】Chen L W, Zhou Y, Wu M X, et al. Remote-mode microsphere nano-imaging: new boundaries for optical microscopes[J]. Opto-Electronic Advances, 2018, 1(1): 01170001.

【3】Chen Z, Taflove A, Backman V. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique[J]. Optics express, 2004, 12(7): 1214-1220.

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