在传统光学与现代纳米光学交汇的边界处,平面纳米光学(meta-optics)长期被寄予厚望。其将波前调制功能浓缩到微米乃至纳米级厚度,承诺实现机器视觉、手机摄像、无人机、内窥镜和增强现实等场景里体积更小、质量更轻的光学系统。然而,色散导致的色差一直被视为制约平面纳米光学用于可见光宽带成像的根本障碍,尤其是在大口径、高数值孔径情况下。最近一项突破性研究通过端到端协同设计和先进的计算成像方法,展示了如何在1厘米口径、f/2大光圈条件下,达成可见光超宽带全色成像,挑战了既有认识并为产业化落地铺路。 色差难题与大口径挑战 色差源自相位对波长的敏感依赖。平面纳米光学借由纳米天线局部施加相位延迟实现像差控制,但为了实现超薄结构,设计常将相位折叠到0到2π范围,从而造成对波长极强的依赖。
对小口径、低NA设备,可以通过频率分离、多重频带或多层结构勉强应对,但当口径放大到毫米或厘米级别、数值孔径提高时,色散带来的焦距漂移、散斑和PSF(点扩散函数)扩展会严重损害成像质量。Fresnel数(r^2/(f λ))和相对光谱范围(Δλ/λ0)一起决定了设计难度:高Fresnel数与宽带同时实现对于任何单层衍射元件而言都是极具挑战性的。 从"不可行"到"可行"的设计思路转变 要在大的物理尺寸上获得宽带成像能力,单纯依靠被动的散射单元来工程色散往往效率低、复杂度高且对制造敏感。新方法不是试图在纳米尺度上完全消除色散,而是改变系统设计范式:将光学元件与计算后端视为一个整体进行联合优化。其核心思想是让纳米光学器件在物理上提供一个良构、在光谱上稳定的PSF或者可恢复的有限信息结构,然后利用物理先验和强大的学习型重建算法补偿残余的模糊与光谱混叠。这样可以将对单元结构的苛刻要求转移到可通过软件处理的范畴,从而实现制造友好且功能强大的大口径平面光学。
两步设计流程与扩展景深(EDOF)策略 实现可见光超宽带成像的实践路径包含两个关键步骤。第一步是在参数空间内寻找能在多波长上维持能量聚焦的相位轮廓。研究团队利用径向对称性的约束,把二维波前优化问题降为一维径向问题,从而将设计变量从约10^9级压缩到10^4级。这一简化允许在有限计算资源下,以Rayleigh-Sommerfeld衍射积分或差分近似在 TensorFlow 等可微分框架内对数千个波长样本并行求导与优化。目标函数不是试图在每个波长上达到衍射极限,而是最大化多个波长在同一像平面处的聚焦能量,从而形成一个沿轴向延展的焦深区,也就是扩展景深(EDOF)。EDOF让不同波长的焦点在像平面附近重合,从而缓和色散引起的焦移问题。
第二步是端到端的系统级联合优化。以第一步得到的相位初始值为起点,设计团队把物理前向模型(包含波长依赖的PSF、传感器响应与噪声模型)和计算重建网络(先是基于物理的Wiener去卷积,随后是深度生成模型)放在同一优化回路中联合训练。该流程确保所得元件的PSF不仅在物理测量中表现稳定,而且对后端重建呈"可逆"性质,便于恢复高质量图像。 从工程样片到可集成相机:材料与制造 在制造层面,研究团队选用了SiN(氮化硅)沉积在石英基底上作为平台。SiN在可见光波段具有合适的折射率和损耗特性,且与主流半导体工艺兼容。器件通过电子束光刻定义方形散射单元,随后采用干法蝕刻形成纳米结构,最终以3D打印支座无中继光学地直接集成到商用图像传感器上。
与一些需复杂扭曲天线形状或多层堆栈的色散工程方案相比,方形单元结构更利于大面积一致性制造,并且适配纳米压印技术,为未来量产提供可能路径。 性能验证:与折射镜头的系统级对比 为了给出公平的评估,团队将1厘米口径、f/2的平面纳米光学镜片与同口径同f数的平面会聚折射透镜在同一传感器上进行直接对比。对点扩散函数在480-680nm波段、不同入射角(0°到15°)下的测量显示,传统折射镜头在低入射角时具有窄而锐利的PSF,但当入射角增大时,PSF迅速恶化;而端到端设计的超宽带元件在低入射角下PSF略显扩展,但在大角度下保持更小的PSF尾部,因而在边缘成像处反而比单片折射镜头有优势。通过在各波长对USAF 1951分辨率靶进行线对对比度测量,研究者观察到在未经重建的原始图像中,元件表现落后于折射镜头,但在应用物理逆滤波(例如Wiener去卷积)后,元件的对比度可提高约6倍,达到折射镜头相当的水准,尤其在低至中低空间频率(0-70 lp/mm)范围内,平均MTF对比度超过30%。这对于大多数日常场景是足够的,因为场景信息在这一区间集中且对高频细节的死板要求较低。 计算后端的两阶段策略:物理滤波与学习型扩散模型 为实现工业可用的视觉效果,研究团队采用了两段式的计算后端。
第一段基于物理的逆滤波为主,利用测得的波长依赖PSF执行Wiener去卷积与噪声抑制,这一方法无场景依赖、机制透明、对泛化性友好。第二段为学习型后端,使用扩散概率模型(diffusion model)作为生成式先验重建器,借助于一次性采集到的同视场成像对(通过70/30分光比的双相机系统,一台为元件相机,另一台为参考复合镜头),在真实场景数据上进行联合训练。扩散模型可以有效处理空间变化的像差、光谱畸变、非均匀传感器响应与噪声统计,使得输出图像在色彩鲜艳度、细节还原与噪声抑制方面都优于纯物理方法。值得一提的是训练数据来源于与元件同焦的复合镜头参考影像,从而为网络提供高质量监督且不受合成数据与仿真偏差的限制。 视频速率与动态场景表现 由于元件口径大、透光量高,可在毫秒级曝光时间内完成成像,团队演示了视频速率下的运动捕捉能力,包含抛硬币、跳跃与彩色球反弹等场景。尽管在复杂动态与非均匀照明条件下,某些伪影(例如在转动或反射对象周围出现的暗晕)仍然存在,但这些现象可以通过改进重建管线或进一步优化PSF来缓解。
为什么该方法可扩展且适用于消费电子 几项关键因素决定了该方案向商业化迈进的可行性。第一是材料与结构的简洁性:SiN方形散射单元适配晶圆级制造与纳米压印,易于放大生产。第二是设计方法的计算可行性:通过径向对称性约束将问题维度大幅下降,使得1厘米乃至更大口径的器件在合理时间内可完成优化。第三是系统级联合设计转移了对结构完美无缺的过高期望给软件后端,从而降低了制造容差要求与成本门槛。最后,双摄对标训练为在多场景下获得泛化良好的恢复算法提供了现实路径,符合手机、无人机等设备的研发流程。 限制与未来研究方向 尽管取得了显著进步,若干挑战仍需克服。
端到端联合优化当前仍依赖假设的旋转对称前向模型,这在强非轴向像差或非对称场景下可能受限。多层或多材料的散射单元或许能提供更强的色散工程能力,但会带来更高的制造复杂性。环境稳定性与温度漂移对大面积纳米结构的影响也需要长期评估。扩散模型等学习型后端对训练数据域的覆盖度与标注质量敏感,如何在保隐私与商业化部署间取得平衡,是工程化落地的要点之一。 未来研究可能的方向包括将可重构或有源纳米结构整合进平面光学,实现动态调谐的相位与色散补偿;进一步发展多光谱联合训练,使单一元件在更宽光谱甚至可见至近红外段表现稳定;探索更高效的可微分电磁仿真工具与加速器,缩短迭代时间,从而支持更复杂的设计目标。另外,规范化的性能度量与行业可比试验会帮助快速建立领域标准,推动产业采纳。
应用前景:从手机到医疗与空间遥感 大口径超宽带纳米光学一旦成熟,将在多个领域产生深远影响。在移动设备上,可显著减少镜头凸起,降低重量并提升多摄融合,配合强大的计算摄影算法实现媲美或超越传统复合镜头的成像效果。在无人机与卫星领域,减重直接带来续航与成本优势。医疗内窥镜与一次性影像器件可从超薄设计中受益,提高手术可及性。增强现实与头戴显示器则可借助薄型光学实现更轻便、更低功耗的显示模组。 结语 通过将物理设计与计算重建视为一个整体,并采用扩展景深相位设计与基于扩散模型的学习型重建,研究团队展示了在1厘米大口径、f/2的条件下实现可见光超宽带全色成像的现实路径。
该工作不仅挑战了纳米光学长期的"宽带不可行"认知,也为制造可量产的平面光学器件提供了技术路线。随着材料工艺、仿真手段和机器学习重建方法的进一步成熟,平面纳米光学在消费电子、工业检测、医疗和航天等领域的广泛应用前景正逐步变为可触达的现实。 。
