突破光学技术瓶颈！大孔径宽带消色差超构透镜研究，推动全彩成像技术迈入超薄化发展新阶段

    在智能手机摄影、自动驾驶环境感知、医疗内窥镜诊断等现代技术领域，光学透镜作为核心成像组件，其性能直接决定了相关设备的应用效能。传统折射透镜长期面临“性能提升”与“体积控制”的矛盾：若追求更高成像质量，需增加透镜厚度与重量，这与智能手机“轻薄化”、医疗设备“微创化”、自动驾驶设备“集成化”的发展需求严重相悖。
    近日，一项发表于国际顶级期刊《NatureCommunications》的研究成果，为解决这一行业难题提供了突破性方案。由JohannesE.Fröch、ArkaMajumdar等学者组成的国际研究团队，成功研发出大孔径宽带消色差超构透镜，首次实现1厘米孔径、可见光全波段（450650nm）的高质量成像，且在大视场角场景下展现出优于传统折射透镜的性能。该成果不仅打破“大孔径超构光学无法实现宽带成像”的传统认知，更为下一代超薄光学系统的产业化应用奠定了关键基础。

    一、超构光学技术的核心挑战：色差与孔径的双重制约
    超构光学（metaoptics）作为近年来光学领域的前沿技术方向，凭借其独特的纳米结构设计（由亿万级纳米单元构成），具备微米级厚度（约为头发丝直径的几十分之一）与灵活的光场调控能力，可在平面结构中实现传统透镜的光学功能，被视为解决设备小型化需求的核心技术路径。
    然而，超构光学技术长期受两大关键问题制约，难以实现大规模应用：
    1.严重的色差问题：超构透镜对光的波长具有高度敏感性，仅能在单一波长下达到衍射极限成像性能，而在可见光全波段（红、绿、蓝）范围内，易出现颜色偏移、图像模糊等问题，无法满足全彩成像的实际需求；
    2.孔径与数值孔径的局限：为缓解色差问题，过往超构透镜的设计通常局限于小孔径（约100μm，即0.1厘米）与低数值孔径（约0.05，数值孔径为表征光学系统聚光能力的关键参数），导致其成像范围狭窄、进光量不足，难以适配手机、自动驾驶摄像头等需要大视场成像的场景。
    “大孔径与宽带消色差不可兼得”的技术矛盾，长期限制了超构光学在主流成像领域的应用，成为行业亟待突破的核心瓶颈。

    二、创新技术路径：端到端协同设计破解核心难题
    超构透镜的设计难点在于“计算复杂度”——仅1厘米孔径的超构透镜便包含数以亿计的纳米结构，若对每个结构进行全波仿真，计算量将达到10⁹个参数级别，即使依托超级计算机也难以高效完成。
    研究团队通过“光学结构设计”与“计算重建算法”的深度协同，构建了创新性技术路径，有效破解了上述难题，具体可分为三大关键环节：
    1.参数维度精简：实现计算复杂度的量级突破
    为降低计算负荷，团队提出“旋转对称相位优化”策略：利用光场的旋转对称特性，仅对中心视场的光学参数进行优化，再通过对称性原理推导其他区域的纳米结构设计方案。这一创新策略将需计算的参数从10⁹个大幅压缩至10³个，显著降低了计算复杂度，为大孔径超构透镜的设计提供了可行路径。
    2.两阶段优化流程：从“消色差”到“高清化”的递进式突破
    针对色差问题，团队设计了两阶段优化流程，实现了多波长光场的精准调控：
    第一阶段：构建扩展景深（EDOF）基础：通过算法最大化多波长光的焦点强度，使可见光全波段（450650nm）内不同波长的光在同一像平面上形成相似的点扩散函数（PSF），从物理层面实现“多波长光聚焦于同一点”，为消除色差奠定基础；
    第二阶段：端到端精修优化：以第一阶段得到的相位分布为初始模板，结合维纳反卷积等物理启发式计算后端，对成像效果进行迭代优化，进一步修复图像细节、提升成像清晰度，实现从“消除色差”到“高清成像”的跨越。
    3.制备工艺与系统集成：从实验室研发到商用适配
    为推动技术落地，研究团队在制备工艺与系统集成层面进行了针对性设计：
    制备工艺：采用“氮化硅石英”基底平台，该平台具有结构均匀性好、稳定性高的优势，且适配纳米压印工艺，可实现大规模量产，为技术的产业化应用提供了工艺支撑；
    系统集成：将研发的超构透镜直接集成于商用相机，无需额外搭载中继透镜（传统超构光学系统常需中继透镜以补偿成像偏差，增加了设备体积），成功实现系统级的高帧率成像，最高帧率达19fps，可有效捕捉快速运动场景（如动态物体、流水等）。

    三、性能验证：大视场下超越传统透镜，全彩成像质量显著提升
    为验证技术性能，研究团队通过点扩散函数（PSF，表征光学系统成像锐利度的核心指标）与调制传递函数（MTF，表征光学系统细节传递能力的关键参数），对超构透镜与传统折射透镜进行了系统性对比测试，结果显示：
    未经过算法处理时：超构透镜的成像质量低于传统折射透镜，存在一定程度的模糊与色差；
    经过反卷积算法处理后：超构透镜的线对对比度（衡量图像细节分辨能力的指标）提升约6倍，其MTF曲线与传统折射透镜高度重合，表明其成像清晰度已达到与传统折射透镜相当的水平；
    大视场角场景（>10°）：超构透镜呈现出显著性能优势——传统折射透镜在大视场角下易出现边缘图像模糊、对比度下降等问题，而超构透镜依托纳米结构的精准光场调控能力，可有效保留边缘细节，成像稳定性更优。
    此外，团队引入扩散模型驱动的神经网络作为后端处理模块，进一步优化图像的色彩还原度、降噪效果与细节恢复能力。测试结果表明，经过神经网络优化后，超构透镜的成像效果在色彩饱和度、细节丰富度上已接近专业复合透镜相机的水平。

    四、技术应用前景：推动多领域光学系统的轻量化升级
    该研究成果不仅具有重要的学术价值，更在多个行业领域展现出广阔的应用前景，将推动相关设备的轻量化、高性能升级：
    消费电子领域：应用于智能手机摄像头时，可替代传统多片堆叠透镜，仅通过单片超构透镜实现全彩高清成像，有效降低手机机身厚度，同时提升拍照、录像的画质与帧率；
    AR/VR领域：可解决AR/VR设备镜片“厚重化”的痛点，凭借平面化、轻薄化特性减轻设备重量，减少用户长时间佩戴的眩晕感，提升交互体验；
    医疗设备领域：用于医疗内窥镜时，可将探头做得更纤细，降低对人体组织的创伤程度，同时提供更清晰的内部组织成像，助力医生精准诊断；
    自动驾驶领域：适配自动驾驶汽车的环境感知摄像头，其大孔径、宽波段特性可提升摄像头在复杂光线条件（如强光、弱光、阴雨天气）下的成像稳定性，增强环境感知精度，保障行车安全。
    从“小孔径窄波段”到“大孔径宽波段”的技术跨越，从“实验室样品”到“商用系统集成”的落地突破，这项发表于《NatureCommunications》的研究成果，不仅为超构光学领域的发展开辟了新路径，更凸显了“光学算法协同设计”在突破传统技术瓶颈中的核心价值。随着该技术的进一步优化与产业化推进，未来光学系统将逐步迈向“超薄化、高性能、低成本”的发展新阶段，为更多行业的技术革新注入动力——这正是基础科学研究突破对社会生产生活产生深远影响的重要体现。