在智能手機攝影、自動駕駛環境感知、醫療內窺鏡診斷等現代技術領域，光學透鏡作為核心成像組件，其性能直接決定了相關設備的應用效能。傳統折射透鏡長期面臨“性能提升”與“體積控制”的矛盾：若追求更高成像質量，需增加透鏡厚度與重量，這與智能手機“輕薄化”、醫療設備“微創化”、自動駕駛設備“集成化”的發展需求嚴重相悖。
    近日，一項發表于國際頂級期刊《NatureCommunications》的研究成果，為解決這一行業難題提供了突破性方案。由JohannesE.Fröch、ArkaMajumdar等學者組成的國際研究團隊，成功研發出大孔徑寬帶消色差超構透鏡，首次實現1厘米孔徑、可見光全波段（450650nm）的高質量成像，且在大視場角場景下展現出優于傳統折射透鏡的性能。該成果不僅打破“大孔徑超構光學無法實現寬帶成像”的傳統認知，更為下一代超薄光學系統的產業化應用奠定了關鍵基礎。

    一、超構光學技術的核心挑戰：色差與孔徑的雙重制約
    超構光學（metaoptics）作為近年來光學領域的前沿技術方向，憑借其獨特的納米結構設計（由億萬級納米單元構成），具備微米級厚度（約為頭發絲直徑的幾十分之一）與靈活的光場調控能力，可在平面結構中實現傳統透鏡的光學功能，被視為解決設備小型化需求的核心技術路徑。
    然而，超構光學技術長期受兩大關鍵問題制約，難以實現大規模應用：
    1.嚴重的色差問題：超構透鏡對光的波長具有高度敏感性，僅能在單一波長下達到衍射極限成像性能，而在可見光全波段（紅、綠、藍）范圍內，易出現顏色偏移、圖像模糊等問題，無法滿足全彩成像的實際需求；
    2.孔徑與數值孔徑的局限：為緩解色差問題，過往超構透鏡的設計通常局限于小孔徑（約100μm，即0.1厘米）與低數值孔徑（約0.05，數值孔徑為表征光學系統聚光能力的關鍵參數），導致其成像范圍狹窄、進光量不足，難以適配手機、自動駕駛攝像頭等需要大視場成像的場景。
    “大孔徑與寬帶消色差不可兼得”的技術矛盾，長期限制了超構光學在主流成像領域的應用，成為行業亟待突破的核心瓶頸。

    二、創新技術路徑：端到端協同設計破解核心難題
    超構透鏡的設計難點在于“計算復雜度”——僅1厘米孔徑的超構透鏡便包含數以億計的納米結構，若對每個結構進行全波仿真，計算量將達到10?個參數級別，即使依托超級計算機也難以高效完成。
    研究團隊通過“光學結構設計”與“計算重建算法”的深度協同，構建了創新性技術路徑，有效破解了上述難題，具體可分為三大關鍵環節：
    1.參數維度精簡：實現計算復雜度的量級突破
    為降低計算負荷，團隊提出“旋轉對稱相位優化”策略：利用光場的旋轉對稱特性，僅對中心視場的光學參數進行優化，再通過對稱性原理推導其他區域的納米結構設計方案。這一創新策略將需計算的參數從10?個大幅壓縮至10³個，顯著降低了計算復雜度，為大孔徑超構透鏡的設計提供了可行路徑。
    2.兩階段優化流程：從“消色差”到“高清化”的遞進式突破
    針對色差問題，團隊設計了兩階段優化流程，實現了多波長光場的精準調控：
    第一階段：構建擴展景深（EDOF）基礎：通過算法最大化多波長光的焦點強度，使可見光全波段（450650nm）內不同波長的光在同一像平面上形成相似的點擴散函數（PSF），從物理層面實現“多波長光聚焦于同一點”，為消除色差奠定基礎；
    第二階段：端到端精修優化：以第一階段得到的相位分布為初始模板，結合維納反卷積等物理啟發式計算后端，對成像效果進行迭代優化，進一步修復圖像細節、提升成像清晰度，實現從“消除色差”到“高清成像”的跨越。
    3.制備工藝與系統集成：從實驗室研發到商用適配
    為推動技術落地，研究團隊在制備工藝與系統集成層面進行了針對性設計：
    制備工藝：采用“氮化硅石英”基底平臺，該平臺具有結構均勻性好、穩定性高的優勢，且適配納米壓印工藝，可實現大規模量產，為技術的產業化應用提供了工藝支撐；
    系統集成：將研發的超構透鏡直接集成于商用相機，無需額外搭載中繼透鏡（傳統超構光學系統常需中繼透鏡以補償成像偏差，增加了設備體積），成功實現系統級的高幀率成像，最高幀率達19fps，可有效捕捉快速運動場景（如動態物體、流水等）。

    三、性能驗證：大視場下超越傳統透鏡，全彩成像質量顯著提升
    為驗證技術性能，研究團隊通過點擴散函數（PSF，表征光學系統成像銳利度的核心指標）與調制傳遞函數（MTF，表征光學系統細節傳遞能力的關鍵參數），對超構透鏡與傳統折射透鏡進行了系統性對比測試，結果顯示：
    未經過算法處理時：超構透鏡的成像質量低于傳統折射透鏡，存在一定程度的模糊與色差；
    經過反卷積算法處理后：超構透鏡的線對對比度（衡量圖像細節分辨能力的指標）提升約6倍，其MTF曲線與傳統折射透鏡高度重合，表明其成像清晰度已達到與傳統折射透鏡相當的水平；
    大視場角場景（>10°）：超構透鏡呈現出顯著性能優勢——傳統折射透鏡在大視場角下易出現邊緣圖像模糊、對比度下降等問題，而超構透鏡依托納米結構的精準光場調控能力，可有效保留邊緣細節，成像穩定性更優。
    此外，團隊引入擴散模型驅動的神經網絡作為后端處理模塊，進一步優化圖像的色彩還原度、降噪效果與細節恢復能力。測試結果表明，經過神經網絡優化后，超構透鏡的成像效果在色彩飽和度、細節豐富度上已接近專業復合透鏡相機的水平。

    四、技術應用前景：推動多領域光學系統的輕量化升級
    該研究成果不僅具有重要的學術價值，更在多個行業領域展現出廣闊的應用前景，將推動相關設備的輕量化、高性能升級：
    消費電子領域：應用于智能手機攝像頭時，可替代傳統多片堆疊透鏡，僅通過單片超構透鏡實現全彩高清成像，有效降低手機機身厚度，同時提升拍照、錄像的畫質與幀率；
    AR/VR領域：可解決AR/VR設備鏡片“厚重化”的痛點，憑借平面化、輕薄化特性減輕設備重量，減少用戶長時間佩戴的眩暈感，提升交互體驗；
    醫療設備領域：用于醫療內窺鏡時，可將探頭做得更纖細，降低對人體組織的創傷程度，同時提供更清晰的內部組織成像，助力醫生精準診斷；
    自動駕駛領域：適配自動駕駛汽車的環境感知攝像頭，其大孔徑、寬波段特性可提升攝像頭在復雜光線條件（如強光、弱光、陰雨天氣）下的成像穩定性，增強環境感知精度，保障行車安全。
    從“小孔徑窄波段”到“大孔徑寬波段”的技術跨越，從“實驗室樣品”到“商用系統集成”的落地突破，這項發表于《NatureCommunications》的研究成果，不僅為超構光學領域的發展開辟了新路徑，更凸顯了“光學算法協同設計”在突破傳統技術瓶頸中的核心價值。隨著該技術的進一步優化與產業化推進，未來光學系統將逐步邁向“超薄化、高性能、低成本”的發展新階段，為更多行業的技術革新注入動力——這正是基礎科學研究突破對社會生產生活產生深遠影響的重要體現。