在最近的一項(xiàng)研究中，研究人員開發(fā)出了一種能實(shí)現(xiàn)無畸變成像的復(fù)合超透鏡。這項(xiàng)研究發(fā)表在《工程學(xué)》（Engineering）雜志上，提出了一種利用復(fù)合超透鏡按需進(jìn)行畸變工程的新方法。

超透鏡已成為一種前景廣闊的技術(shù)，可應(yīng)用于光束轉(zhuǎn)向、成像、深度感應(yīng)和顯示投影等領(lǐng)域。然而，光學(xué)畸變作為光學(xué)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵因素，在超光學(xué)領(lǐng)域還相對(duì)缺乏研究。研究人員通過展示一種控制畸變的通用方法，彌補(bǔ)了這一空白。

復(fù)合超透鏡結(jié)構(gòu)由雙層超表面組成，與單層超透鏡相比，提供了更多的自由度。這樣就可以定制隨角度變化的圖像高度關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)畸變控制，同時(shí)最大限度地減少其他單色像差。

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單層超透鏡與復(fù)合超透鏡成像畸變的比較

研究小組通過制造復(fù)合魚眼超透鏡，對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該超透鏡在 140° 的寬視場(chǎng)范圍內(nèi)表現(xiàn)出衍射極限性能，桶形畸變顯著降低，小于 2%。相比之下，沒有補(bǔ)償?shù)膮⒖汲�透鏡的畸變高達(dá) 22%。

超透鏡的超表面由玻璃基底上的非晶硅納米柱組成，封裝在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）涂層中。研究人員采用數(shù)值模擬和分析推導(dǎo)設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行光線跟蹤優(yōu)化，設(shè)計(jì)出了超透鏡。該裝置的制造采用了激光直接寫入場(chǎng)孔擋板和電子束光刻超表面圖案的方法。

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制造的復(fù)合超透鏡

超透鏡的表征包括使用帶可旋轉(zhuǎn)光軸的定制裝置測(cè)量點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）。通過計(jì)算斯特列爾比（Strehl Rate）比和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）來評(píng)估聚焦質(zhì)量。結(jié)果顯示與設(shè)計(jì)非常吻合，表明整個(gè)視場(chǎng)具有良好的制造保真度和衍射限制性能。

通過記錄圖像高度與入射角（AOI）的關(guān)系，對(duì)光學(xué)畸變進(jìn)行了評(píng)估。復(fù)合超透鏡的圖像高度與入射角呈線性關(guān)系，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

為了展示寬視場(chǎng)、無畸變的成像能力，我們使用定制的成像裝置來捕捉圓柱形全景目標(biāo)的圖像。與單透鏡相比，復(fù)合超透鏡捕獲的圖像畸變極小。

復(fù)合超透鏡的設(shè)計(jì)原理和制造方法有可能對(duì)消費(fèi)電子、汽車和機(jī)器人傳感、醫(yī)療成像和機(jī)器視覺系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生影響。這項(xiàng)研究為開發(fā)減少失真和提高成像質(zhì)量的高性能光學(xué)設(shè)備提供了新的可能性。

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1016/j.eng.2024.09.004