变革成像系统：用于广角摄影的 ASI 超透镜

近期，《先进光学材料》发表的一项研究介绍了一种集成孔径光阑（ASI）的超透镜，结合人工智能驱动的图像恢复算法，旨在提升微型相机技术。该技术通过解决广角和全彩成像的难题，显著提升了紧凑型系统（尤其是便携和可穿戴设备）的高质量成像能力。

微型相机技术的突破

微型相机对增强现实/虚拟现实（AR/VR）设备、智能手机、应急救援工具和医疗成像等便携设备至关重要。传统相机依赖笨重的折射透镜校正光学像差，阻碍了小型化发展。超表面技术作为一种潜在替代方案，通过精密设计的纳米结构实现了超薄光学元件。

其中，超透镜虽能实现高度紧凑的成像结构，但其性能常受显著像差的限制。

集成孔径光阑超透镜与AI图像恢复

本研究开发了一种与深度学习图像恢复算法协同设计的ASI超透镜架构。该系统将单个超透镜与0.5毫米厚玻璃基板背面的孔径光阑结合，减少了彗差、三叶像差和散光等离轴畸变。这种设计降低了AI成像管道的计算需求，并提升了广视场（FoV）性能。

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结构示意图：a传统结构和b新型集成孔径光阑超透镜结构

为优化超透镜相位分布和基于深度学习的图像重建算法，研究团队采用端到端（E2E）可微分前向模型。基于U-Net架构的轻量级卷积神经网络（CNN）被用于图像恢复，确保实时高效处理。原型器件通过先进光刻技术制造，实现了精确对准。

广角与全彩成像的重大进展

实验验证表明，ASI超透镜系统的性能远超传统设计。数值模拟与测试显示，其在可见光谱范围内实现了70°视场角，f值为1.93，入瞳直径0.5毫米。这些成果突破了此前超透镜设计仅限单一波长或窄视场的局限。

E2E优化框架对超透镜硬件与图像重建算法的协同优化至关重要。光学性能分析（包括调制传递函数MTF和泽尼克分解）表明，沿垂直轴的倾斜、离焦、散光、彗差和三叶像差显著降低。MTF分析进一步证实，单色像差的有效校正提升了高入射角下的成像质量。

AI图像恢复算法通过从传感器数据重建高质量图像，显著提升了成像表现。集成孔径光阑的设计保留了多角度下的图像细节与对比度，有效抑制了离轴像差。

采用包含峰值信噪比（PSNR）和结构相似性指数（SSIM）的复合损失函数后，上述指标分别提升2.5 dB和0.09。这些进展使ASI超透镜成为现代广角智能手机相机的有力竞争者。

重塑便携与可穿戴设备成像

该研究对便携电子设备、AR/VR及医疗成像领域意义深远。紧凑的ASI超透镜设计尤其适用于智能手机和可穿戴设备，可提升三维成像、物体检测和生物识别性能。AI驱动的图像恢复增强了系统适应性，使其能在弱光等多种环境下实时处理。

E2E优化框架凸显了硬件与软件协同设计的优势，为特定应用打造高度优化的成像系统。这些突破使ASI超透镜成为消费电子、安防、机器人和环境监测等领域的多面手解决方案。

未来研究需聚焦色彩还原优化、弱光性能提升及色差与几何畸变校正。探索先进制造技术对规模化生产和商业应用至关重要。随着市场对高效紧凑成像方案的需求增长，此项研究将推动新一代成像系统发展，使微型相机与传统笨重光学设备分庭抗礼。

相关链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202402853