近日，首尔大学的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种利用超表面折叠光学的超薄镜头系统。这种镜头系统通过在玻璃基底内部实现多次光路折叠，极大地减小了镜头的整体厚度，同时保持了高质量的成像性能。该研究以“Metasurface Folded Lens System for Ultrathin Cameras”为题，发表在《Science Advances》上。
打破传统镜头厚度瓶颈
随着智能手机和虚拟/增强现实设备的普及，对轻薄摄像头的需求日益增长。然而，传统的镜头系统由于需要堆叠多个透镜并保留光路所需的空间，始终难以突破厚度的限制。此次研究提出的镜头系统通过在玻璃基底内对光路进行多次折叠，将厚度从传统光学系统的极限进一步降低至0.7毫米，约为其有效焦距（EFL）的一半，同时保持了准衍射极限的成像质量和10°的视场角。
技术亮点：超表面与折叠光学的完美结合
该系统的核心是利用超表面技术，这是一种由纳米结构阵列组成的二维阵列，可以在亚波长尺度上操控光的相位和传播路径。研究人员设计了三层超表面，它们水平排列在玻璃基底上，通过多次对光线进行折叠和引导，有效缩短了光路的垂直长度。相比传统的折叠光学系统，这一设计不仅更加紧凑，而且在制造中避免了复杂的对准步骤。
研究团队通过射线追踪算法优化了镜头设计，并利用光刻工艺制造出高精度的原型样品。实验结果显示，该镜头系统的斯特雷尔比（Strehl Ratio）超过0.98，显示了出色的单色像差校正能力，并在操作波长852纳米下实现了近衍射极限的成像性能。
成像性能与实际应用
研究人员进一步评估了镜头的成像性能，结果显示，该系统在维持目标视场内的清晰成像同时，实现了两倍的光学变焦功能，而厚度却只有传统镜头的一半。此外，与传统单透镜相比，该镜头系统在成像对比度和分辨率方面均表现优异。
面向未来的改进方向
尽管该系统在减小镜头厚度方面取得了显著进展，但其光效率仍有提升空间。研究团队提出，可以通过优化超表面设计、采用低损耗材料和增加抗反射涂层等手段进一步提高系统的光能利用率。此外，为应对宽光谱照明条件下的色差问题，研究人员建议结合去卷积算法或端到端的硬件与图像处理优化方法，以实现更高质量的成像。
论文链接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.adr2319
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