复合超透镜实现宽视场无畸变成像

在最近的一项研究中，研究人员开发出了一种能实现无畸变成像的复合超透镜。这项研究发表在《工程学》（Engineering）杂志上，提出了一种利用复合超透镜按需进行畸变工程的新方法。

超透镜已成为一种前景广阔的技术，可应用于光束转向、成像、深度感应和显示投影等领域。然而，光学畸变作为光学设计中的一个关键因素，在超光学领域还相对缺乏研究。研究人员通过展示一种控制畸变的通用方法，弥补了这一空白。

复合超透镜结构由双层超表面组成，与单层超透镜相比，提供了更多的自由度。这样就可以定制随角度变化的图像高度关系，从而实现畸变控制，同时最大限度地减少其他单色像差。

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单层超透镜与复合超透镜成像畸变的比较

研究小组通过制造复合鱼眼超透镜，对其设计进行了实验验证。该超透镜在 140° 的宽视场范围内表现出衍射极限性能，桶形畸变显著降低，小于 2%。相比之下，没有补偿的参考超透镜的畸变高达 22%。

超透镜的超表面由玻璃基底上的非晶硅纳米柱组成，封装在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）涂层中。研究人员采用数值模拟和分析推导设计，然后进行光线跟踪优化，设计出了超透镜。该装置的制造采用了激光直接写入场孔挡板和电子束光刻超表面图案的方法。

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制造的复合超透镜

超透镜的表征包括使用带可旋转光轴的定制装置测量点扩散函数（PSF）。通过计算斯特列尔比（Strehl Rate）比和调制传递函数（MTF）来评估聚焦质量。结果显示与设计非常吻合，表明整个视场具有良好的制造保真度和衍射限制性能。

通过记录图像高度与入射角（AOI）的关系，对光学畸变进行了评估。复合超透镜的图像高度与入射角呈线性关系，验证了设计目标。

为了展示宽视场、无畸变的成像能力，我们使用定制的成像装置来捕捉圆柱形全景目标的图像。与单透镜相比，复合超透镜捕获的图像畸变极小。

复合超透镜的设计原理和制造方法有可能对消费电子、汽车和机器人传感、医疗成像和机器视觉系统等多个领域产生影响。这项研究为开发减少失真和提高成像质量的高性能光学设备提供了新的可能性。

相关链接：https://phys.org/news/2024-11-compound-metalens-distortion-free-imaging.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1016/j.eng.2024.09.004