日前，韓國首爾大學工程學院的研究人員宣布，他們開發(fā)出一種光學設(shè)計技術(shù)，利用下一代納米光學器件“超表面”的折疊透鏡系統(tǒng)，大大縮小了相機的體積。

通過在玻璃基板上布置超表面，使光線可以折疊的方式在玻璃基板中反射和移動，研究人員實現(xiàn)了厚度為 0.7 毫米的透鏡系統(tǒng)，比現(xiàn)有的折射透鏡系統(tǒng)薄得多。這項研究成果于 10 月 30 日發(fā)表在《科學進展》（Science Advances）雜志上。

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圖1.概念示意圖

傳統(tǒng)相機的設(shè)計是在捕捉圖像時堆疊多個玻璃鏡片以折射光線。雖然這種結(jié)構(gòu)能提供出色的高質(zhì)量圖像，但每個透鏡的厚度和透鏡之間的寬間距增加了相機的整體體積，使其難以應用于需要超小型相機的設(shè)備，如虛擬和增強現(xiàn)實（VR-AR）設(shè)備、智能手機、內(nèi)窺鏡、無人機等。

為了解決這一局限性，研究人員開發(fā)出了一種超薄相機系統(tǒng)，采用了結(jié)合超表面的新型鏡頭模塊設(shè)計，將傳統(tǒng)鏡頭系統(tǒng)的厚度減少了不到一半。

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圖2.設(shè)計和制造

超表面被譽為下一代納米光學設(shè)備，能夠逐像素地精確控制光的三種特性——強度、相位和偏振。這是因為構(gòu)成超表面的納米結(jié)構(gòu)以幾百納米（nm）的周期排列，比光的波長還短。

據(jù)該團隊介紹，通過設(shè)計一種針對特定波長（852 納米）進行優(yōu)化的超表面，并在玻璃基板上水平排列多個薄片，光線可以在基板內(nèi)部多次反射，從而以折疊的方式在空間上有效地確保光路。研究小組展示了一種微型照相機的結(jié)構(gòu)，這種照相機通過一個由薄而折疊的透鏡模塊組成的系統(tǒng)來捕捉圖像，從而調(diào)整光的路徑。

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圖3.聚焦性能

該系統(tǒng)不僅克服了傳統(tǒng)厚鏡頭模塊的物理限制，還能提供卓越的圖像質(zhì)量。這是因為它能在 0.7 毫米厚的極小系統(tǒng)尺寸內(nèi)提供 10 度視場，并能在 f/4 光圈和 852 納米波長條件下提供接近衍射極限的高分辨率圖像。

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圖 4.成像性能

得益于這些強大的競爭優(yōu)勢，研究人員開發(fā)的微型相機技術(shù)有望廣泛應用于各種先進光學設(shè)備行業(yè)，如VR-AR設(shè)備、智能手機、醫(yī)療內(nèi)窺鏡和微型無人機等。

論文第一作者 Youngjin Kim 說：“這項研究意義重大，它為通過引入納米光學器件創(chuàng)新性地減小攝像頭厚度提供了一個創(chuàng)造性的突破口。我們將繼續(xù)開展研究，引領(lǐng)超表面輕薄相機的創(chuàng)新，由于其納米級的光調(diào)節(jié)自由度和通過半導體工藝制作，超表面相機兼具卓越的性能和工業(yè)效益�！�

論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adr2319