近年来,平面光学与超材料镜头的研究进入快车道,学术界和产业界都期待薄型、低成本、高性能的成像元件能够取代传统折射光学,推动手机、医疗内窥镜、无人机和卫星等领域的轻量化与集成化。然而,扩展到宽带可见光并保持大口径与高速成像,一直被认为是平面衍射光学的禁区。新的研究表明,通过在纳米光学设计层面与计算重建层面的协同共设计,可以打破长期以来对色散限制的固有认知,实现1厘米口径、f/2光学系统在可见光范围内的高质量、视频速率成像,进而为消费级和工业级应用带来真正的替代方案。 元光学的色散困境与设计思路 元光学(meta-optics)通过在亚波长尺度布置纳米散射单元,局部调控相位,从而实现超薄的波前整形功能。与传统透镜不同,元表面通常将相位限制在0到2π之间,从而将相位"缠绕"起来,这一做法导致对波长高度敏感的色差问题。当口径变大或数值孔径(NA)增加时,色差和相位误差的累积使得单层元面难以在宽光谱内同时保持高分辨率与低像差。
理论研究也指出,在较高Fresnel数和较宽谱带条件下实现无色差的大口径元透镜存在根本性挑战。 为了解决这一难题,研究团队提出了一条实用路线:接受单一薄层元透镜在所有波长上都达到衍射极限的物理不可能性,转而追求可被计算成像恢复的"良性"成像退化。关键是设计出在全波段内具有一致性且信息可逆的点扩散函数(PSF),使得通过合适的反卷积或基于学习的方法能够恢复出高质量的全色彩图像。研究把设计过程拆分为两步:先在物理层面优化出一个具有延展焦深(EDOF)和谱跨越性的径向对称相位分布;再与计算后端联合优化,使得捕获的光场与解算算法协同工作,达到系统级性能最优。 两步优化与可计算化仿真策略 对1厘米直径、亚波长间距的元面直接进行全波优化,计算负担极大。为提高可扩展性,团队引入了径向对称近似,仅对轴向场传播进行精确模拟,将设计参数从约10^9个散射子降至约10^4,从而把问题压缩到可行规模。
首步优化以最大化中心位置处在450-650纳米波段内的焦点强度为目标,使用Rayleigh-Sommerfeld衍射积分并借助自动求导框架(TensorFlow)实现可微分的相位优化,密集采样波长,得到一种具有延展焦深特性的相位分布。 获得EDOF型初始结构后,研究进一步采用端到端的协同优化,将物理前端(元面)与计算后端(反卷积或学习网络)联合训练。端到端方法不仅优化PSF的频谱一致性,还确保PSF在传感器平面上易于数值反演,从而最大限度地提升重建质量。两类设计分别面向可控光源场景(多色点设计)和室外/室内环境下的宽带随机光照(广谱设计),为不同应用提供了灵活性。 器件制备与集成实践 为了兼顾制造友好性与光学性能,研究采用SiN(氮化硅)薄膜沉积在石英基底上的平台,单层厚度约800纳米,散射子采用方形几何形状,单一材料工艺适合用纳米压印(Nanoimprint Lithography)等产线级工艺放大生产。电子束曝光与干刻制程完成样片后,研究团队将1厘米口径的元透镜直接集成到商用图像传感器前端,通过3D打印支架实现无中继光学的直接装配,充分发挥大口径带来的光通量和帧率优势。
性能评估:与折射透镜的系统级对比 为了公平比较,团队使用与元透镜相同口径与f数的平面凸透镜作为基准,于同一传感器上对比系统级性能。实验测量涵盖点扩散函数(PSF)在不同入射角与波长下的分布、MTF(调制传递函数)与USAF 1951线对对比度随空间频率的变化。结果显示,传统折射透镜在低入射角下在窄谱范围内能维持较窄的PSF,但在较大视场角(>10°)处像差显著增加。而通过EDOF设计的元透镜尽管在近轴位置PSF略显扩展,但在大视角下维持更小的能量散布,这一特性为宽视场成像带来优势。 在空间频率对比测试中,原始捕获的元透镜图像在某些频段低于折射透镜,但经过物理逆滤波(Wiener反卷积)后,元透镜在低至中等空间频(例如10-70 lp/mm)表现出显著提升,重建后的MTF在可见光带宽内平均可达或接近折射透镜的水平。实验表明,关键在于元透镜输出的PSF包含一个强峰值成分加上可预测的尾部结构,这使得基于准确PSF的线性反卷积能够恢复图像的主结构信息,这是实现实用化宽带成像的重要条件。
从物理到学习:扩展到概率扩散模型的神经后端 虽然物理逆滤波可以在一定程度上恢复图像,但在实际环境中,非均匀光照、噪声、传感器响应和空间变异性会限制线性方法的效果。为此,团队开发并训练了基于概率扩散模型(probabilistic diffusion model)的神经网络后端,用以进行跨谱色差校正、去噪、色彩还原和空间变异畸变补偿。 训练过程采用了一个巧妙的实验配置:双孔径同轴采集系统。通过70/30的光束分配器,70%的光能进入元光学相机,30%进入复合折射镜头相机,后者作为高质量"参考"图像提供监督信号。这种标注数据源于真实场景而非合成数据,保证了网络在复杂自然场景下的泛化能力。训练完成后,扩散模型能够将元透镜输出的"带有可逆退化"的图像逐步还原为接近复合镜头的高质量成像效果,色彩更鲜明、噪点更低、细节恢复更完整,并在较大视角处保持稳定表现。
视频级成像与动态场景表现 值得一提的是,得益于1厘米口径和f/2的相对大孔径,系统具有较高的光收集能力,在无需长曝光的情况下即可实现视频速率成像。实测演示包括人跳跃、投掷硬币与彩球弹跳等快速运动场景,在曝光时间为5-90毫秒条件下仍能捕捉清晰帧。扩散模型在处理动态序列时可以结合帧间信息和去噪策略,进一步提升运动模糊和闪烁场景下的恢复能力。 产业化潜力与制造考量 所采用的SiN-on-quartz平台和方形散射子几何使得工艺环节更贴近现有半导体与微光学制造流程。纳米压印技术的成熟为批量化生产提供了路径,而较简单的单层结构也降低了工艺复杂度和成本。此外,与多层色散工程或复杂各向异性纳米单元相比,该方案在良率和稳定性上具有优势。
与此同时,利用计算后端来补偿物理局限也使得对制造容差的要求更为宽容,有助于早期商业化推广。 挑战与未来研究方向 尽管该方法已在多个维度展示出突破性的成效,仍有若干挑战值得进一步研究。首先,端到端协同优化中,对辐照变化、极端光照条件及长时间稳定性的鲁棒性仍需系统验证。其次,扩散式学习后端的推理成本与实时性是移动设备集成时需要解决的关键问题,可以考虑模型压缩、硬件加速或更高效的替代架构。第三,光学设计方面,如何在保持制造友好的前提下进一步提升高空间频细节恢复仍有空间,例如通过多级衍射层、可调谐元件或与传感器像素级编码结合来提高信息捕获能力。 从规模化生产与市场应用的角度,行业需要解决的包括产线转移、可靠性测试、与现有摄像模组的兼容性以及知识产权与供应链保障。
另外,随着平面光学进入消费领域,围绕色彩还原、夜间低光性能以及对磨损与污染的耐受性也需要更严谨的工程化评估。 结语:重新定义薄型光学的可行性边界 通过物理设计与计算成像的协同策略,研究团队成功展示了在传统观点看来几乎不可能实现的目标:在可见光宽带下,用单层、微米级厚度的元透镜实现大口径、高速且可商业化的成像系统。该工作不仅在学术上挑战了色散极限的既有认知,也为下一代轻量化、低成本、多功能摄像系统的开发提供了清晰路径。未来,随着制造工艺的成熟、计算算法的高效实现以及系统级集成优化,基于协同设计的元光学方案有望在消费电子、智能安防、便携医学成像与无人平台等众多场景落地,从而真正改变光学成像设备的形态与体验。 。
