近日，機(jī)械與動力工程學(xué)院航空動力研究所施圣賢副教授與香港城市大學(xué)蔡定平教授課題組跨學(xué)科合作，在Advanced Materials上發(fā)表題為“Meta-lens Particle Image Velocimetry”的研究論文，提出了基于超構(gòu)透鏡的粒子圖像測速技術(shù)（Meta-lens PIV），助力先進(jìn)光學(xué)診斷技術(shù)發(fā)展。論文第一作者是香港城市大學(xué)博士后劉小源和航空動力研究所博士后趙洲，通訊作者為施圣賢副教授、香港城市大學(xué)陳沐谷助理教授和蔡定平教授等。
超構(gòu)透鏡PIV技術(shù)概念圖
PIV技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)流體研究的經(jīng)典手段，在生物醫(yī)學(xué)、海洋裝備、航空航天等領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程應(yīng)用中得到了廣泛的運(yùn)用。然而，傳統(tǒng)的PIV方法需要多個(gè)相機(jī)和復(fù)雜的多鏡頭系統(tǒng)，以獲取不同視角的圖像，并通過進(jìn)一步分析獲得三維速度場，這使得整個(gè)系統(tǒng)變得復(fù)雜，且在實(shí)際應(yīng)用中特別是受限空間等場景存在一系列的挑戰(zhàn)。
研究嘗試將光學(xué)超材料與PIV技術(shù)融合，以實(shí)現(xiàn)PIV系統(tǒng)小型化的目的。超構(gòu)透鏡是一種先進(jìn)的平面光學(xué)元件，由人工制造的納米單元陣列組成。作為一種新型光學(xué)超材料，超構(gòu)透鏡可以精準(zhǔn)操控光的波前，具備超薄、緊湊和無球差的特點(diǎn)，有望替代傳統(tǒng)的光學(xué)成像系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)將一對超構(gòu)透鏡刻蝕在0.5mm厚的藍(lán)寶石基板上，并將其集成到CMOS傳感器中，構(gòu)建了緊湊的雙目超構(gòu)透鏡相機(jī)。這種雙目超構(gòu)透鏡的重量僅為116毫克，遠(yuǎn)遠(yuǎn)輕于商用鏡頭。通過使用雙目超構(gòu)透鏡拍攝粒子圖像，可以獲得精確的三維速度場數(shù)據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)通過雷諾數(shù)為2000的渦環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于超構(gòu)透鏡的粒子圖像測速技術(shù)，渦環(huán)直徑的測量誤差僅約為1.25%。
(a) 雙目超構(gòu)透鏡相機(jī) (b) 雙目超構(gòu)透鏡 (c) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) (d) 粒子圖像
研究團(tuán)隊(duì)通過光學(xué)超材料設(shè)計(jì)及制備方法，形成超薄、極輕、無球差的超構(gòu)透鏡，并利用其替換傳統(tǒng)鏡頭，直接與CMOS芯片集成，構(gòu)建緊湊的雙目超構(gòu)透鏡PIV系統(tǒng)，展示了PIV技術(shù)小型化、輕便部署的發(fā)展趨勢。
研究將先進(jìn)微納光學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)流場診斷技術(shù)相結(jié)合，使傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)流體測試工具煥發(fā)新的活力，并針對便攜易用、受限空間等測量場景，拓展了PIV技術(shù)和光學(xué)超材料技術(shù)的應(yīng)用潛力，為PIV技術(shù)的小型化和低功耗等方面的應(yīng)用研究提供了新的思路。
研究工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和青年項(xiàng)目，以及中央高校基本科研專項(xiàng)資金的資助。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310134
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