近年来,元光学与计算成像的融合正推动光学设计走向一个新的边界。传统折射透镜在成像质量与体积之间展开权衡,而基于亚波长结构的元表面通过局部相位调控,提供了前所未有的超薄透镜形式因子。然而,衍射型平面光学固有的色散带来严重的色差,使得在大口径和宽带可见光下实现高质量成像成为长期未解的技术难题。近期发表在国际期刊上的一项工作打破了这一桎梏,展示了如何以仅微米厚的纳米结构实现1厘米口径、f/2光学系统,在450到650纳米的可见波段内完成宽带、高速、全色的视频级成像,并且在某些视角下其成像质量可与同口径的折射透镜相媲美,甚至更优。该成果的核心在于硬件与软件的协同设计:通过将具有径向对称性的元表面结构设计为具有延展的焦深(EDOF),将各波长的焦点"重叠"到一个共同成像平面,再用基于物理与学习的计算后端进行去卷积与概率生成式重建,恢复出高对比度与真实色彩的图像。 为什么大口径宽带元光学曾被认为"不可能"?要理解这一点,需要认识衍射光学在相位包裹与色散方面的物理本质。
为实现薄型化,元表面通常通过在0到2π范围内对波前进行折叠和编码,使光在穿过纳米散射单元后获得期望相位。然而相位随波长变化的本质导致不同波长的聚焦位置发生位移,带来严重的焦深漂移与色差。对于小口径或低数值孔径,色差影响相对可控;但当口径扩大到毫米甚至厘米级、并保持较大NA以实现短曝光和高光通量时,这种色散效应在宽光谱范围内变得难以克服。理论研究也指出在既要求高NA又要求宽带响应时,单凭被动元表面往往难以达到折射透镜的性能上限。 如何从理论到实践上实现突破?研究团队采取了多层次策略加以解决。设计阶段采用两步优化路径:首先在受约束的计算空间中(假设系统具有径向对称性并仅模拟轴上传播)对每个像面点的聚焦强度进行密集波长采样的自动微分优化,以获得一个延长焦深的相位配置。
该方法显著降低了计算需求,从而使得设计可以扩展到厘米级口径,同时通过大量波长采样保证宽带内的焦点重合度。第二步则将初始相位作为端到端系统级优化的起点,与基于物理先验的反卷积或神经网络恢复模块共同训练,使得元表面不仅在物理上具备宽带EDOF特性,同时生成的点扩散函数(PSF)结构也更适合后端算法进行高质量重建。 从物理直觉看,EDOF的策略并非仅仅为了"牺牲"分辨率以换取色散容忍度,而是通过让PSF在各波段保持一个相对稳定的主峰与可建模的尾分布,使得低到中空间频率信息在原始采集中仍被保留。随后计算后端能有效去掉尾部散射带来的模糊,恢复图像的细节与色彩。实验结果显示,经过去卷积处理后,元光学系统在10到70 lp/mm的空间频率范围内能够达到平均MTF对比度超过30%,接近同尺寸折射镜头的表现,而在更大视角下甚至优于折射系统,这是大口径元光学在场角响应上独有的优势。 器件制造采用了兼容于大规模生产的材料与工艺。
研究团队在石英基底上沉积约800纳米的氮化硅薄膜,使用电子束光刻与反应离子刻蚀工艺制作方形散射单元,器件厚度仅在微米级。相对于传统球面或非球面玻璃透镜所需的毫米到厘米级机械加工深度,元表面几乎将光学功能压缩到单层纳米结构,这为未来纳米压印和晶圆级量产提供了可行路径。试验中,研究者将1厘米直径、f/2的元光学直接安装在商用工业相机的前端,未使用任何中继透镜或额外光学元件,从系统级出发评估其成像性能和视频采集能力。 为获得可用的真实世界成像,计算后端同样关键。研究团队首先验证了基于物理模型的维纳去卷积在恢复静态显示屏投影的多色场景方面已经能显著提升对比度,但其在噪声抑制和空间变化性校正方面有限。为此,他们进一步构建了一个以概率扩散模型为核心的学习型重建网络。
训练数据通过同轴双摄系统采集:利用分束器将同一场景的光分别投向元光学相机与对标的复合透镜相机,从而获得配对的训练样本。扩散模型能够在概率空间中逐步去噪并重建细节,同时保留色彩一致性与高度真实感。实验表明,扩散模型在去雾、细节恢复、噪声控制方面明显优于基于维纳滤波的纯物理反演,输出影像在视觉感受上接近商用复合镜头的成像效果。 该工作在多维度上给出了一套可复制的范式。首先,设计原则强调了在宽带成像中寻找一种"可逆且易于后端处理"的PSF形态,优先保证主能量峰的保存而不是追求每个波长的完美点阵成像。其次,工程实现展示了以简单几何散射单元与成熟氮化硅平台即可实现大口径元光学,从而降低制造复杂性和成本。
再次,端到端的协同优化 - - 即以成像恢复性能为目标同时优化前端元表面与后端算法 - - 被证明是突破单一组件物理极限的有效路径。 此类元光学的实际应用前景广泛。在消费电子领域,可以显著减薄手机摄像头模组的凸起体积,从而实现更薄的机身和更低的重量,同时保持或提升相机性能。在无人机与航拍平台上,减轻镜头重量直接关系到续航能力与操控性能。在医学成像和内窥镜领域,超薄大口径元光学可以带来更小、更轻的探头,同时在可见光范围实现更高的色彩保真与实时视频能力,改善微创手术时的视觉体验。此外,多镜头系统如双摄或多摄阵列中,元光学的尺寸和成本优势使得在终端集成多功能、异构光学单元成为可能,从而推动复合计算摄影的新发展。
与此同时,挑战与限制依然存在。尽管端到端方法能弥补很多由色差与散射带来的信息损失,但对极高空间频率的细节恢复仍依赖于主峰能量的充分保留。在低光照或高动态范围场景下,噪声与信噪比问题会限制去卷积效果与生成模型的稳定表现。制造方面,虽然氮化硅平台与方形散射单元有利于量产,但纳米刻蚀过程中对尺寸、侧壁角及厚度的控制仍需在晶圆级工艺中保证高良率。系统集成时还需处理入射角依赖、偏振效应以及与感光芯片的光斑角度响应不匹配等工程问题。 展望未来,若要将这一技术广泛商业化与产品化,有若干研究方向值得投入。
材料层面可探索低损耗、高折射率的替代材料,以提升单元效率与波段响应。器件设计方面可引入更丰富的自由度,例如多层结构或混合折射-衍射组合体,以优化更宽光谱范围或更高NA下的性能。计算层面则可发展更高效的实时扩散模型或轻量化的神经网络,满足手机等终端对延迟和算力的严苛要求。制造与测试流程的标准化、可靠性的长期评估以及与图像感知和视觉质量评估指标的耦合也将是实现批量化应用的关键。 学术上,此项成果还激发了对光学系统极限的重新评估。传统将光学硬件与算法分离的设计范式正在被端到端、任务驱动的协同设计所替代。
通过在设计初期便纳入成像任务目标与后端重建能力,研究者能够有目的地牺牲某些物理指标以换取系统层面的整体最优,这一理念对未来智能光学器件的研发具有深远影响。 总之,大口径宽带纳米光学与计算重建的结合,正在把曾被视为"物理不可能"的全色、高速、大视场成像变为现实。随着材料、制造、设计算法和系统集成的进一步成熟,超薄元光学有望在消费电子、国防航天、医疗影像和工业检测等多个领域内催生新一代轻薄高性能光学模组。科研与产业界的持续合作将是将实验室成果转化为规模化产品并影响日常生活的关键推动力。 。
