用于紧凑型大视场近红外成像的晶圆级非球面超构透镜

摘要

一种通过晶圆级工艺制造的超构非球面透镜，实现了101.5°视场角、3.39 mm总长、F/1.64光圈，整体体积仅0.02 cm³，支持紧凑且可扩展的近红外成像。

近红外成像现已广泛应用于消费电子和生物医学系统，涵盖增强现实眼动追踪、生物特征认证以及皮下血管成像等领域。随着这些平台对更薄、更轻外形尺寸的需求不断增加，传统折射光学元件面临根本性的局限。即使是最先进的折射光学元件，也需要额外的元件来校正光学像差，这不可避免地增加了系统体积和装配复杂度。

超构透镜是由亚波长纳米结构阵列构成的超薄平面光学元件。由于能够在平面几何结构内精确调控光的相位、振幅和偏振，它们已成为小型化成像系统领域一个极具前景的平台。然而，单层超构透镜在孔径尺寸、视场角和像差校正之间存在固有的权衡取舍。

克服这一问题的方法之一是组合多个平面元件，将光学负担分配到各个元件上。2016年，Arbabi等人证明，将两个超构表面组合成一个双合透镜可以同时校正大角度单色像差，为多元件超构光学设计奠定了基本原理。在此基础上，2018年，Chen等人将球面透镜与超构表面校正器相结合，将消色差性能扩展到了近红外波段。Balli等人展示了一种聚焦效率更高的混合消色差超构透镜。Sawant等人进一步将其扩展到厘米尺度的混合超构透镜，同时校正了色差和球差。

迄今为止，还没有任何一个集成平台能够同时实现超过100°的视场角、低于5毫米的总轨道长度以及晶圆级可制造性。这一组合对于下一代紧凑型近红外成像模块至关重要。在发表于《Light: Advanced Manufacturing》的论文中，Chi等人报道了一种同时实现上述三项指标的超构非球面透镜。他们将一个非球面折射透镜和一个超构透镜在晶圆级上单片集成并键合，整个过程只需一次切割步骤，无需制造后的机械对准。

如图1（左）所示，非球面折射透镜通过激光直写和纳米压印光刻技术在单独的晶圆上制备，然后在微米精度下与超构透镜对准并键合。超构表面上方的工程化空气间隙可在键合过程中保护纳米结构。一个结合了实验测量的非晶硅材料色散的前向模型确保了仿真与制造之间的高度一致性。最终制成的超构非球面透镜成像系统（图1，右）实现了101.5°的视场角、3.39毫米的总轨道长度以及F/1.64的光圈，总体积仅为0.02立方厘米，并在整个视场内保持50线对/毫米处大于0.31的调制传递函数。成像演示涵盖USAF分辨率靶、多个注视角度下的眼模型追踪，以及常规可见光相机不可见的手背静脉可视化。此外，作者还展示了使用MambaIR深度学习模型实现的计算超分辨率成像，并指出这是该模型首次应用于近红外成像。

从电子束光刻转向更高通量的图形化方法（如深紫外光刻或基于纳米压印的超构透镜制造）将是进一步降低成本和提高产量的重要下一步。将工作带宽扩展到当前范围之外，将拓宽该平台在多光谱近红外任务（包括血氧成像和夜视）中的适用性。该平台还可应用于下一代增强现实眼镜中的人脸识别、虹膜扫描和注视估计模块——这些设备同时要求超紧凑的外形尺寸和宽广的视场角。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41377-026-02341-2