发表在今天的《自然通讯》上的一篇重磅论文中，科学家们报告说，“提出了一种新型的微型光学元件镜头，可以大大缩小光学成像系统设备，从而可能影响我们生活中的许多应用”。以后你的相机、望远镜等将可如一张纸一样地厚薄，你的智能手机后面将不再有那个凹凸不平的摄像头，你将会有更小、更轻、更薄的高性能相机。该研究论文题为：“一种替代空间的光学器件及其在超薄成像系统中的应用”。我们许多人都知道，我们眼睛可以见的电磁波（可见光）会传播，我们的视觉就是对于可见光的认知。每一个光学设备都依赖于这种传播。如果没有光的这种传播，我们将不知道如何设计相机、望远镜等。例如，在每台望远镜中，目镜和物镜之间都有很大的间隙，以便能够为光线提供足够的传播空间。几个世纪以来，改进成像的努力都集中在完善和组合光学镜头上，以获得更好的光学性能和新功能。纳米技术为这项工作带来了称为“超透镜”的镜面，它将可能使成像设备更加紧凑。超透镜（superlens或metalens），又称超级镜片、或超级镜头，指一种使用“超材料”超越衍射极限的镜头。衍射极限是传统镜头和显微镜的一个特征，它限制了其分辨率的精细度。提出了许多在某种程度上超出衍射极限的镜头设计，但它们都面临着限制和障碍。最大的挑战是光学镜头之间的空间，这对于成像至关重要，但在成像系统中占据了最大的空间。有人可能会问：光的这一成像传播空间能够缩小吗？怎么可以将光的这一传播空间大大缩小？简单来说，该研究论文提出了一种被称为“空间板”（英语：spaceplate）的概念，这种称为“空间板”的光学元件代替了这些传播空间的距离。该研究实验证明了这一空间板的概念，并表明它与我们用来看到的可见光谱中的宽带光兼容，从而有效地将光传播的距离远大于板的厚度。该空间板模拟了光在小型光学设备中传播很远距离所经历的相同传播。对光来说，一个空间板看起来比光本身所占据的空间更多。在某种程度上来说，空间板是镜头的对应物，可以做镜头无法做到的事情来缩小整个成像系统。通俗地来讲，这种空间板就像是“压缩”了空间，如图所示空间板的工作原理。图a,：一个空间板可以将传播长度：deff压缩成厚度：d。例如，以角度θ入射到间隔板上的光束将以相同的角度出现并横向平移长度w（导致横向光束偏移Δx），就像自由空间的传播长度：deff一样。图b：在标准相机（顶部）等成像系统中添加空间板会缩短相机（中）。超薄单片成像系统可以通过将超透镜和空间板直接集成在传感器上（底部）来形成。“空间板”工作原理研究人员基于考虑如果根据角度而不是光线的位置来操纵光线会发生什么。透镜通过光线的位置起作用。角度是一个全新的领域，过去没有人表明它可以用来制作这样特别有用的东西。该研究确定了一个有用的应用程序来压缩空间，然后证明了实际上可以设计和实验证明完全可以做到这一点的薄板。这确实很令人兴奋，因为这种薄板设备可以缩小过去认为不可能再缩小的光学小型化设备，也包括许多非常大的光学设备。为了设计它，需要提出一套与镜头设计中使用的规则不兼容的新规则，过去没有人知道它们是什么。研究人员是怎么想出这个主意的呢？这是一个有趣的故事。论文第一作者、渥太华渥太华大学物理系高级博士后研究员、奥拉德·雷舍夫（OradReshef）是使用纳米技术根据光线的位置（例如超透镜或更一般的超表面）操纵光线的专家。一次偶然随意地跟加拿大量子光子学研究主席、渥太华大学物理实验室负责人、杰夫·伦丁（JeffLundeen）讨论用这些“超表面”操纵光的局限性，讨论中提到根据角度来操纵光会很酷。雷舍夫立即意识到他可以设计和制造做到这一点的东西，伦丁随后得出结论，最简单的目标是替换光传播所需的空间。在接下来的几个月的研究时期里，研究团队慢慢意识到这样一个设备会有多么惊人的应用前景。研究团队提出了可行且完全不同的设计，这表明有很多方法可以创建这样的设备。在该研究论文中讨论了其中的三个，还有更多。应用前景这样的空间板可用于使许多光学系统小型化，无论是显示器还是传感器。例如，可以实现纸一样薄的望远镜或照相机，可用于去除智能手机背面的摄像头凸起。我们常常可以看到比如新闻记者携带着具有巨大长焦镜头的大型相机。如果能够充分提高这种空间板的性能，则可以制造出性能更好、更小、更轻、更薄得多的相机。与超透镜相结合的空间板，将使智能手机后面那个凹凸不平的摄像头的整个后表面变成一个扁平相机。而且，与大而重的相机相比，它的分辨率和低光性能将提高14倍。这种扁平轻薄型的微薄相机将可用于多种应用，包括医疗保健，其中的成像药丸或内窥镜可以更好地观察动脉或消化系统内部。令人惊讶的是，像镜头这样的光学基础元件已经存在了一千多年，它们的基本设计规范已经被人类认为很好地认知了多年，但科学家们现在仍然发现出了这种用于成像的、极为基本的、崭新的光学元件。参考：