超紧凑光学设计增强VR/AR设备摄像头的功能

日前，韩国首尔大学工程学院的研究人员宣布，他们开发出一种光学设计技术，利用下一代纳米光学器件“超表面”的折叠透镜系统，大大缩小了相机的体积。 R[QE:#hT
通过在玻璃基板上布置超表面，使光线可以折叠的方式在玻璃基板中反射和移动，研究人员实现了厚度为 0.7 毫米的透镜系统，比现有的折射透镜系统薄得多。这项研究成果于 10 月 30 日发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。 M%/D:0

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图1.概念示意图

传统相机的设计是在捕捉图像时堆叠多个玻璃镜片以折射光线。虽然这种结构能提供出色的高质量图像，但每个透镜的厚度和透镜之间的宽间距增加了相机的整体体积，使其难以应用于需要超小型相机的设备，如虚拟和增强现实（VR-AR）设备、智能手机、内窥镜、无人机等。
为了解决这一局限性，研究人员开发出了一种超薄相机系统，采用了结合超表面的新型镜头模块设计，将传统镜头系统的厚度减少了不到一半。

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图2.设计和制造

超表面被誉为下一代纳米光学设备，能够逐像素地精确控制光的三种特性——强度、相位和偏振。这是因为构成超表面的纳米结构以几百纳米（nm）的周期排列，比光的波长还短。
据该团队介绍，通过设计一种针对特定波长（852 纳米）进行优化的超表面，并在玻璃基板上水平排列多个薄片，光线可以在基板内部多次反射，从而以折叠的方式在空间上有效地确保光路。研究小组展示了一种微型照相机的结构，这种照相机通过一个由薄而折叠的透镜模块组成的系统来捕捉图像，从而调整光的路径。

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图3.聚焦性能

该系统不仅克服了传统厚镜头模块的物理限制，还能提供卓越的图像质量。这是因为它能在 0.7 毫米厚的极小系统尺寸内提供 10 度视场，并能在 f/4 光圈和 852 纳米波长条件下提供接近衍射极限的高分辨率图像。

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图 4.成像性能

得益于这些强大的竞争优势，研究人员开发的微型相机技术有望广泛应用于各种先进光学设备行业，如VR-AR设备、智能手机、医疗内窥镜和微型无人机等。
论文第一作者 Youngjin Kim 说：“这项研究意义重大，它为通过引入纳米光学器件创新性地减小摄像头厚度提供了一个创造性的突破口。我们将继续开展研究，引领超表面轻薄相机的创新，由于其纳米级的光调节自由度和通过半导体工艺制作，超表面相机兼具卓越的性能和工业效益。”
论文链接：https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adr2319