一种新型多维采样理论可克服平面光学的局限性

浦项科技大学（POSTECH）的一个研究团队开发了一种新颖的多维采样理论，以克服平面光学的局限性。他们的研究不仅揭示了传统采样理论在超表面设计中的局限性，还提出了一种创新的抗混叠策略，显著提升了光学性能。相关研究成果发表在《自然·通讯》上。

平面光学是一种通过在超薄表面设计纳米结构来操控纳米尺度光线的尖端技术。与依赖笨重透镜和镜片的传统光学系统不同，平面光学能够实现超紧凑、高性能的光学器件。这项创新对于缩小智能手机摄像头尺寸（减少“摄像头凸起”）和推动增强现实（AR）/虚拟现实（VR）技术的发展尤为重要。

超表面是平面光学最具前景的应用之一，它依赖数亿个纳米结构来精确采样和控制光的相位分布。这里的采样是指将模拟光学信号转换为离散数据点的过程，类似于人类大脑通过每秒快速捕捉多张图像来生成连续运动感知的视觉信息处理方式。

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超透镜中的混叠

然而，传统采样方法存在挑战。当采样率过低时，会出现混叠伪影，导致图像失真和光学效率低下。一个众所周知的例子是“马车轮效应”，即视频中旋转的车轮由于帧率不足而看起来向后移动或静止。这种混叠问题是超表面设计中的一个主要限制，显著降低了光学效率和精度。

几十年来，研究人员一直依赖奈奎斯特采样定理来预测和缓解混叠问题。然而，POSTECH团队发现，尽管奈奎斯特定理在数字信号处理中很有用，但它并未充分考虑超表面的光学复杂性。虽然奈奎斯特理论有效地定义了数字信号处理的频率限制，但它无法准确预测或防止超表面中的光学失真，因为超表面必须同时考虑复杂的纳米结构和光的波动特性。

为了解决这一局限性，该团队开发了一种新的多维采样理论，结合了超表面的二维晶格结构和光的波动特性。他们的研究首次揭示了超表面纳米结构晶格与其光谱分布之间的几何关系在决定光学性能中起着关键作用。通过调整晶格旋转并集成衍射元件，团队提出了一种抗混叠策略，最大限度地减少了噪声并增强了对光的控制。利用这种方法，他们成功降低了从可见光到紫外波长的宽光谱范围内的光学噪声，并展示了在紫外波段工作的高数值孔径（NA）超透镜和广角超全息图。

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混叠超透镜

这项研究不仅重新定义了光学超表面的理论框架，还放宽了制造限制，使高分辨率紫外和高数值孔径超表面更加可行。

Junsuk Rho教授强调了他们发现的重要性：“这项研究为下一代平面光学设备（包括高数值孔径超透镜和广角超全息图）开辟了新的可能性。我们新开发的采样理论具有高度通用性，涵盖了从微波到极紫外的波长范围。短波长紫外光学需要极其精确的制造，使得这一领域的研究极具挑战性。然而，我们的发现显著缓解了这些制造需求，为紫外超表面开辟了新的机遇。”

该研究由Rho教授（机械工程系、化学工程系、电气工程系和融合科学技术研究生院）以及POSTECH的硕士/博士生Seokwoo Kim、Joohoon Kim、Kyungtae Kim和Minsu Jeong（机械工程系）共同领导。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-024-55095-z