近年来,纳米光学技术作为微型化光学设备的关键推动力量,展现出替代传统折射镜片的巨大潜力。传统折射镜片虽然成像质量优异,但在体积、重量和厚度方面存在天然限制,尤其是在追求轻量化和小型化的消费电子及医疗设备领域。而平面纳米光学器件,特别是基于超透镜和光子晶体原理设计的超薄金属透镜,凭借其亚波长尺度的纳米结构,能够精确操控透射光波的相位,从而实现光学功能的厚度和体积极限突破。然而,宽带大口径纳米光学的发展面临的最大挑战是光谱带宽限制,即在可见光宽光谱范围内保证高质量成像仍然困难重重。传统衍射型平面光学器件因相位调制采用2π周期限制,导致显著的色差和焦距漂移,使其难以同时对宽波段光保持聚焦一致性,影响成像的清晰度和色彩还原。为突破这一局限,科学家们结合先进的设计优化和计算成像方法,在纳米光学器件设计和图像复原两大层面取得了革命性进展。
最新的研究进展表明,采用径向对称相位设计与端到端优化策略,能够设计出具有扩展焦深的宽带大口径超透镜。扩展焦深特性使得不同波长的光在较大范围内共焦,从而缓解了由色散引起的焦距漂移问题。更关键的是,通过与深度学习和概率扩散模型相结合的计算后端,实现了对光学系统不可避免的残余像差的补偿和去噪,极大提升了成像质量。实验结果显示,直径达1厘米、f/2光圈的宽带超薄纳米光学镜头,在450至650纳米的整个可见光谱范围内,实现了与传统折射镜片媲美的成像性能。与此同时,该纳米光学元件厚度仅数微米,比传统镜头轻薄数千倍,不仅节约了空间,还降低了系统复杂度和制造成本。采用标准的氮化硅纳米结构阵列,通过电子束曝光和等离子体刻蚀技术大规模制备,工艺成熟且具备良好的均匀性和重复性。
此外,利用类似3D打印的快速定位装配技术,可方便地将超薄纳米光学镜头集成至现有数字成像设备中,解决了以往衍射光学需采用中继光学器件的问题。该系统还通过一个同轴双孔设计实现了训练阶段的成像数据对齐,使得机器学习模型能准确匹配超透镜捕获的图像与传统复合镜头的"真实"图像,从而获得对复杂场景和光照条件的强鲁棒性。实验视频捕获率达到每秒十多帧,支持动态场景的实时成像,表现出对快速移动物体的良好捕捉能力。相比仅依赖物理模型的反卷积方法,扩散模型在色彩还原、细节复原和噪声抑制方面有显著优势,为宽带纳米光学成像迈向商业应用奠定了坚实基础。该项技术的突破不仅在科学上揭示了如何通过联合优化光学设计兼顾色散和像差,还为消费电子、航拍、虚拟现实、内窥镜以及自动驾驶视觉系统等多个领域带来革命性的轻量化成像方案。未来,随着纳米制造工艺的进一步成熟及计算成像算法的优化,宽带大口径纳米光学元件有望实现更大尺寸、更高数值孔径和更宽谱段的高性能应用。
针对特殊场景需求,也可调控纳米结构的几何形态和材料组合,引入多层叠加或功能复用设计,以增强波长选择性和偏振响应,多角度满足差异化成像任务。同时,结合边缘计算和神经网络加速,将实现从采集到图像生成的全流程智能化。综合来看,突破传统折射光学的体积和色散限制,宽带大口径纳米光学正引领着光学成像进入一个集成化、平面化、智能化的新纪元。随着科研与产业协同推进,其应用必将深刻改变我们对视觉信息捕获和处理的传统认知,推动下一代移动设备和感知系统的普及与革新。 。
