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它具有高分辨率、高集成度、高小型化等特點(diǎn)
（中國(guó)AI網(wǎng) 2025年11月17日）想象一下，用普通的顯微鏡看東西，就像隔著一層紗窗，總有一些最微小的細(xì)節(jié)看不真切。這不是顯微鏡的做工不好，而是光本身有一個(gè)無(wú)法逾越的規(guī)則——衍射極限。它決定了光學(xué)系統(tǒng)，無(wú)論是昂貴的傳統(tǒng)鏡頭還是最新的超薄鏡頭，都無(wú)法分辨小于半個(gè)波長(zhǎng)（比如可見光約是200-300納米）的物體。
但現(xiàn)在，西安電子科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)找到了一種巧妙的辦法，在這個(gè)規(guī)則的邊緣“鉆了一個(gè)空子”，造出了一種全新的“融合超構(gòu)表面透鏡”，把光斑壓縮到了前所未有的小尺寸，讓我們有望看得更清、看得更細(xì)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步證明了集成超表面透鏡的超分辨性能。它具有高分辨率、高集成度、高小型化等特點(diǎn)，在振幅、極化、渦旋等多維信息的綜合調(diào)控下，將實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的超分辨率聚焦和成像性能，并有望在虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
傳統(tǒng)的相機(jī)鏡頭和顯微鏡鏡頭，依賴的是玻璃的曲面來(lái)彎曲光線，從而實(shí)現(xiàn)聚焦。鏡頭越復(fù)雜、功能越強(qiáng)，往往就越厚越重。而超構(gòu)表面，則是一種完全不同的思路。它是一片比紙還薄的平板，上面布滿了幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)個(gè)比頭發(fā)絲還細(xì)小的“納米磚”（學(xué)名叫納米鰭）。
每一個(gè)“納米磚”都是一個(gè)獨(dú)立的光線指揮官。通過改變這些磚塊的大小、形狀和朝向，當(dāng)光線打在上面時(shí)，研究人員就能精確控制光波的“節(jié)奏”（也就是相位）。這樣一來(lái)，一塊平平無(wú)奇的薄板，就能像厚厚的曲面玻璃一樣，把光線完美地匯聚到一個(gè)點(diǎn)上。
這就是超構(gòu)表面透鏡，它是未來(lái)VR眼鏡的希望。但是，它依然無(wú)法突破光的衍射極限。它聚成的光斑，最小也只能小到約0.61λ/NA（對(duì)于高數(shù)值孔徑系統(tǒng)，約400多納米），這限制了它的成像分辨率。
怎么突破？西安電子科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)把目光投向了光學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)并不新鮮的技術(shù)——光瞳濾波。
你可以這樣理解：一個(gè)理想透鏡匯聚的光斑，其實(shí)是一個(gè)很亮的主斑點(diǎn)和周圍一圈較暗的“拖影”（旁瓣）組成。衍射極限決定了這個(gè)主斑點(diǎn)不能再小。而光瞳濾波器就像一個(gè)聰明的“光線調(diào)度員”，它放在光路中，通過巧妙地給光線“設(shè)障”或“延時(shí)”（即調(diào)制振幅或相位），讓大部分光線更集中地投射到主斑點(diǎn)上，同時(shí)犧牲掉一部分邊緣的光線。結(jié)果是，主斑點(diǎn)“擠”得更小了，但代價(jià)是主斑點(diǎn)整體會(huì)變暗一些。
這是一種典型的“犧牲亮度換取分辨率”的權(quán)衡藝術(shù)。其中，相位型光瞳濾波器因?yàn)椴晃展猓ㄖ桓淖児獾南辔唬芰坷寐矢撸貏e受青睞。
過去，要在系統(tǒng)里加入光瞳濾波器，就得在光路上額外插入一個(gè)光學(xué)元件。這會(huì)讓系統(tǒng)變復(fù)雜、變笨重，與超構(gòu)表面追求的“輕薄化”背道而馳。
西安電子科技大學(xué)的革命性創(chuàng)意在于：他們不做“加法”，而是做“融合”。
他們的想法是，既然超構(gòu)表面的每個(gè)“納米磚”本身就是一個(gè)相位控制器，那我們?yōu)槭裁床荒苤苯釉谠O(shè)計(jì)透鏡的時(shí)候，就把光瞳濾波器的功能“編程”進(jìn)去呢？于是，他們開始了“二合一”的設(shè)計(jì)：
先造一個(gè)“基準(zhǔn)透鏡”。他們用非晶硅納米磚在二氧化硅基底上，設(shè)計(jì)了一個(gè)焦距2微米、孔徑10微米的超構(gòu)表面透鏡。當(dāng)一束633納米的紅光（右旋圓偏振）照射它時(shí)，它能在預(yù)定的位置形成一個(gè)非常完美、銳利的光斑，其半高全寬為376納米，這已經(jīng)是一個(gè)非常優(yōu)秀的、接近衍射極限的表現(xiàn)了。
接下來(lái)，再設(shè)計(jì)一個(gè)“最優(yōu)濾波器”。他們選擇了一種結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的三區(qū)相位濾波器——中心圓和外環(huán)相位延遲為0，中間環(huán)相位延遲為π（相當(dāng)于讓經(jīng)過這里的光波推遲半個(gè)周期）。通過大量的計(jì)算機(jī)仿真和優(yōu)化，他們找到了能讓光斑主瓣壓縮效果最好的環(huán)帶尺寸比例。
最關(guān)鍵的一步是“編碼”融合。到了這里，他們沒有去實(shí)際加工這個(gè)濾波器。而是回過頭，在之前設(shè)計(jì)好的那個(gè)“基準(zhǔn)透鏡”上動(dòng)了手腳。他們按照濾波器的最佳尺寸，把透鏡表面劃分成三個(gè)對(duì)應(yīng)的區(qū)域。然后，做了一件非常巧妙的事：將中間環(huán)區(qū)域內(nèi)，所有納米磚的旋轉(zhuǎn)角度，統(tǒng)一額外再旋轉(zhuǎn)90度。
根據(jù)幾何相位原理，這一旋轉(zhuǎn)，就恰好給通過中間環(huán)的光波附加了所需的π相位延遲。就這樣，一個(gè)普通的超構(gòu)表面透鏡，被“升級(jí)”成了一個(gè)自帶超分辨率濾波功能的融合透鏡。所有功能，都在同一塊平板上完成，沒有任何多余部件。
仿真結(jié)果證明了“融合”設(shè)計(jì)的巨大成功：光斑顯著變小：融合透鏡產(chǎn)生的光斑，其半高全寬從原來(lái)的376.0納米，壓縮到了323.4納米（約0.51倍波長(zhǎng)）。這不僅比原來(lái)的透鏡提升了約15%，更重要的是，它已經(jīng)明顯小于該系統(tǒng)的傳統(tǒng)衍射極限（約429納米）。
權(quán)衡在可控范圍：當(dāng)然，獲得超分辨率是有代價(jià)的——光斑的中心亮度下降了大約一半（斯特列爾比約為0.51）。但幸運(yùn)的是，惱人的“拖影”并沒有明顯增強(qiáng)，這意味著它仍然可以用于高質(zhì)量的成像，只是需要更亮一點(diǎn)的照明來(lái)補(bǔ)償亮度損失。
相關(guān)論文：Design of meta-surface lens integrated with pupil filter
https://arxiv.org/pdf/2507.00381
展望未來(lái)，這種超分辨率融合透鏡可以帶來(lái)更清晰的VR/AR世界：讓下一代虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡的顯示效果更細(xì)膩、更逼真，徹底告別“紗窗效應(yīng)”。
