综述：消色差超构透镜的原理与应用
2026-04-19 22:36:35   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

超构透镜（Metalenses）作为一种基于超构表面（Metasurfaces）的超薄平面光学器件，凭借其紧凑的结构和灵活的光场调控能力，近年来引起了广泛的研究兴趣，在特定应用场景中展现出替代传统透镜的巨大潜力。

据麦姆斯咨询报道，深圳技术大学李莉华教授和合肥工业大学周剑副教授联合在Micromachines期刊上发表了题为“The Principle and Application of Achromatic Metalens”的综述文章。文中重点介绍了超构透镜的几何相位与传播相位的基本原理，阐述了其在色差校正中的应用，并强调了其优势与局限性。研究人员进一步讨论了多层超构透镜在变焦光学系统中的应用，总结了拓扑优化和逆向设计等提升超构透镜效率的方法。特别关注了宽带色差校正与离散色差校正之间的比较，阐明了它们各自的工作原理、设计挑战及实际意义。此外，简要讨论了利用深度学习进行像方像差校正的最新进展。最后，重点介绍了超构透镜的各种实际应用，并探讨了未来的研究方向。

I 超构透镜原理

2011年，哈佛大学Capasso教授领导的研究团队提出了广义斯涅耳定律，显著提升了光学元件设计的灵活性。自此之后，超构表面逐渐成为光学研究中的一个重点领域。该定律表明，当光通过具有相位梯度的物体时，其传播方向不仅由折射率和入射角决定，还由相位梯度决定。

Pancharatnam-Berry（PB）相位，也称为几何相位，常被用于偏振敏感超构表面的设计。当偏振光通过各向异性超构原子传播时，这些单元的旋转会引入额外的相位偏移。传播相位是超构透镜设计中的另一种基本机制。在传播相位理论中，超构原子被视为波导。由于光在具有不同参数的波导中会沿着不同的光路传播，这些光程差异可被用来调控光的相位，最终实现对光传播的精确操控。

（a）光通过具有相位梯度的表面传播的示意图；（b）利用PB相的超构原子；（c）光在超构原子内部的传播。

II 消色差超构透镜

超构透镜可以通过优化超构原子和衬底的材料、超构原子的参数及分布来减少色差。显然，用于制造消色差超构透镜的材料有多种选择，因此根据不同波长范围和功能来选择合适的材料与制造方法至关重要。

目前，消除介质超构透镜色差的主要方法可分为两类。第一种方法是设计本身就能实现消色差性能的超构透镜。第二种方法是在第一种方法的基础上，引入深度学习在成像过程中进行色差校正。

（a）宽带消色差超构透镜在不同波长下沿z轴方向的实验强度分布（第一行）和模拟强度分布（第二行）；（b）具有不同几何参数（例如高度、形状等）的各种超构原子示意图，以及相应超构原子（例如单柱、环形柱、十字形等）的相位和色散分布图。

在拓扑优化中，将超构原子的设计区域划分为多个子区域或网格，并优化每个网格中的材料分布，以最大化给定的目标函数，例如透射效率或相位精度。除了拓扑优化之外，其它函数优化方法也可以应用于超构透镜的性能优化。此外，深度学习可用于逆向设计，或优化超构原子的形状，以满足所需的相位或透射率规格。

多层超构透镜的出现拓展了应用场景。这类超构透镜系统可以通过改变每层之间的相对角度或横向距离来改变焦距等特性。尽管多层超构透镜提供了更宽的色散补偿范围，但与单层超构透镜相比，它们的制造更为复杂且成本更高。这是因为这些超构透镜需要精确对准多个层，以确保总的相位分布与预期的设计相一致。

（a）双曲相位分布；衍射表面上的采样网格示意图；在400 nm、590 nm和750 nm工作波长下，具有双曲相位的光场分布；相应波长下随机采样后的光场分布。（b）具有文中所述参数的设计模型和优化区域示意图，以及拆解后的MAM展示了单层、双层及三层（完整）结构。（c）离散多波长超构透镜和宽带超构透镜在相位处理上的差异。

此外，近年来备受关注的图像生成技术也是基于深度学习的。深度学习可以通过多种方法（例如去噪）来提升图像质量。尽管使用深度学习显著降低了设计复杂度，但这些系统仍然需要使用大量数据集进行训练，这意味着需要拍摄大量的图像，会耗费大量时间。

III 超构透镜的应用

消色差超构透镜是目前超构表面研究的一个关键焦点。对于跨多个波长工作的光学系统（尤其是那些需要高分辨率的系统），色差校正至关重要。由于其超薄的外形和强大的波前操纵能力，超构透镜有望实现紧凑的单透镜成像系统。超分辨率成像、小型化成像系统和增强现实等应用都要求一定程度的色差校正，这凸显了持续研究的重要性。尽管宽带消色差性能在技术上仍具挑战，但超构透镜已在特定应用中展现出优异的功能，并且目前这些应用场景受到广泛关注。

（a）基于传统透射超构透镜和基于透视反射超构透镜的近眼AR系统的比较图。（b）基于透视反射超构透镜的近眼AR系统的成像结果。（c）多功能超构表面逆向设计方法流程图。

（a）宽视场超构透镜的光路图及其成像性能结果。（b）基于超构透镜的宽视场望远镜系统光路图。（c）具有可变放大倍率的超构透镜示意图。

（a）电可调谐聚合物分散液晶（PDLC）-超构表面动态三维全息显示装置示意图；电荷耦合器件（CCD）拍摄的三维全息图像及其对应的仿真结果。（b）meta II NED的三维增强现实效果，其主要组件包括超构透镜阵列与微型显示器。

综上所述，本文从广义斯涅尔定律出发，介绍了超构透镜的基本原理，然后探讨了基于这些原理实现消色差性能的各种策略。一系列具有代表性的实例展示了使用超构透镜进行色差校正所取得的重大进展。然而，在孔径尺寸、数值孔径（NA）和效率等方面仍然存在挑战，这些挑战本质上与消色差设计的底层机制密切相关。正如文献中所提到的，研究人员试图通过设计多层超构透镜和使用深度学习来训练消色差模型等方法来克服这些局限性。然而，这些方法带来了新的挑战，包括制造复杂性的增加和对大规模训练数据集的需求。

此外，超构透镜还面临其他限制，例如高生产成本和长制造周期。尽管存在这些挑战，超构透镜的超薄外形和强大的光操纵能力仍然是传统透镜无法比拟的。结合传统折射透镜和超构透镜优势的混合系统有望取得进一步突破。得益于超构透镜的高设计自由度和波前工程能力，可以对其进行定制以补偿折射透镜引入的像差，从而减少系统中光学元件的数量。

此外，随着计算光学的发展以及计算能力的快速提升，基于深度学习的消色差模型所需的训练时间预计将大幅缩短。纳米压印光刻技术的持续发展为超构透镜的大规模制造提供了有前景的途径。如前所述，多层超构透镜可以提供更大的相位色散补偿，为宽带消色差超构透镜设计开辟了新的可能性。制造技术的进步有望进一步支持此类多层结构的实际实现。

论文链接：https://doi.org/10.3390/mi16060660

延伸阅读：

《超构透镜（Metalens）专利态势分析-2024版》

《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》

《光学和射频应用的超构材料-2024版》　

《硅光子及集成光路（PIC）技术及市场-2026版》

《光学MEMS产业现状-2026版》

《硅光子技术及市场-2025版》