团队成员迈克尔·德尔马斯特罗（Michael DelMastro）将油倒入光学室，准备添加空间板。

对光学系统小型化的推动导致了许多新设备的设计，从菲涅耳透镜到超材料波片。然而，大多数光学系统在组件之间仍然包含空白空间——想想望远镜镜头之间的空镜筒或智能手机背面的相机凸块——可以进一步减少。现在，加拿大的研究人员已经解决了这个问题，并设计了三种不同的“空间板”，可以有效地压缩空间、减小光学设备的尺寸并为实现极其紧凑的光学系统铺平道路。

设计材料以挤压空间

通过允许光穿过折射率较高的材料来拉伸光学系统中的空间相对简单。但是找到一种具有相反效果的材料，压缩空间而不是拉伸空间，并不是一件容易的事。除了被压缩外，光束不应改变方向，光束的相位和幅度应该看起来就像它只是在空旷的空间中传播了更长的距离一样。这种理想材料还应在广泛的频率和入射角范围内工作。因此渥太华大学的团队有一个棘手的问题需要解决。

Orad Reshef是Nature Communications 上一篇描述这项工作的论文的主要作者，他总结了他们解决这个问题的方法，“空间板是一种与我们以前见过的任何类型的镜头完全不同的成像元件。透镜作用于光束，是光束横截面上位置的函数，而间隔板则是光场动量的函数。它是最早以这种方式运行的光学元件之一。”

工作原理：间隔板将光束聚焦的点移动到更靠近镜头的位置，从而缩短了光路的长度，如上图和中图所示。研究人员研究了由非局部超材料和单轴介质制成的空间板，如下图所示。（提供：Orad Reshef/自然通讯/CC BY 4.0）

考虑到这些条件，该团队可以尝试一些材料选择。一种折射率低于周围环境的材料会起作用，就像方解石这样精心挑选的单轴材料一样——它沿一个晶轴（非寻常轴）的折射率与沿其他两个晶轴的折射率不同轴。另一种可能性是具有光学特性的结构化材料，其设计取决于入射光束的角度，称为非局部材料。研究人员探索了这些不同的方法，并证明这三种方法都可以用来制造太空板。

测试

通过用油填充光束线来增加背景折射率是他们第一个实验的起点。该团队旨在测量添加空间板后聚焦光束焦点的偏移，并找到压缩系数——空间板收缩局部空间区域的系数。当一个 4.4 毫米长的充满空气的腔室被插入光路中的油中时，光束的焦点被向前拉了 2.3 毫米，这意味着压缩系数为 1.48。

第二个实验是将单轴晶体方解石放入充满油的光束线中，制成一个 29.84 毫米长的空间板，将沿其异常轴偏振的光束的焦点推进 3.4 毫米——压缩系数为 1.12，这是常数在很大的入射角范围内。

然而，该团队测量的最大压缩因子是在空气中使用非局部超材料实现的。遗传算法选择了 25 个硅和二氧化硅交替层的理想厚度，结果是一种折射率随光束入射角而变化的超材料。这种超材料的厚度刚刚超过 10 微米，与在真空中传播的光束相比，将光束的焦点向前拉了 43.2 微米，使该团队的压缩系数创下了 5.2 的记录。

捕获图像

在这项工作之后，我们可以期待的一件事是更紧凑的相机镜头。为了证明这一点，一幅画（加拿大艺术家艾米丽卡尔的，战争独木舟，阿尔伯特湾，1912 年）的彩色图像被放在一桶甘油中。使用 30 毫米长的方解石隔板，图像在距离物体 3.4 毫米处形成，没有额外的像差。

超薄镜片无色差

该团队的首席研究员Jeff Lundeen分享了他对团队结果潜在影响的看法：“空间板展示了一种操纵光的方式，当与超表面结合时，可以实现完全通用的图像处理，超越传统计算的可能处理记录的图像。”

这些非常有希望的实验结果与超紧凑超材料空间板的设计相结合，意味着超薄光学系统的未来肯定比看起来更近。