新复合超透镜实现宽视场无畸变成像 可影响汽车、机器人传感等领域

盖世汽车讯 据外媒报道，近日，美国麻省理工学院材料科学与工程系（Department of Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology）的研究人员们研发了一款复合超透镜（compound metalens），可实现无畸变成像。此外，该研究还展示了一种创新的方法，通过使用复合超透镜来设计按需的图像畸变。

(a) 单层超透镜存在较大的桶状变形 (b) 复合超透镜有效地消除了桶状变形（图片来源：麻省理工学院）

超透镜是一项颇具应用前景的技术，可应用于光束控制、成像、深度感知和显示屏投影等领域。然而，在超表面光学领域，光学畸变这一关键设计因素尚未得到充分研究。研究人员们最近展示了一种通用的畸变控制方法，有效地填补了这一研究空白。

该款复合超透镜的结构由双层超表面构成，相较于单层超透镜，其提供了更多的自由度，因而可根据角度定制图像的高度关系，并有效控制畸变，同时将其他单色像差降至最低。

该研究团队通过打造一款复合鱼眼超透镜，并通过实验对其设计进行了验证。该款超透镜在140°的宽视场范围内，具有卓越的受限衍射性能，并且桶状畸变率低至不足2%。相比之下，未经补偿的传统超透镜的畸变率高达22%。

该款超透镜的超表面由玻璃基板上的非晶硅纳米立柱构成，被聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）涂层封装起来。研究人员采用数值模拟及基于理论推导的设计方式，接着通过光线追踪优化来设计该款超透镜。该设备采用激光直写技术制作场光阑，并运用电子束光刻技术对超表面进行图案化处理。

研究人员使用定制的可旋转光轴装置，测量了对点扩散函数，以确定该超透镜的特性；计算了斯特列尔比（Strehl ratio）和调制传递函数（MTF），以评估其聚焦质量。最终的结果与设计高度契合，表明在整个视场中，该透镜都具备良好的制作精度以及卓越的衍射受限性能。此外，研究人员记录了入射角（AOI）与图像高度的关系，评估了光学畸变程度。结果显示，该款复合超透镜的图像高度与AOI呈线性关系，验证了研究人员的设计目标。

同时，为了展示该超透镜的宽视场、无畸变成像能力，研究人员定制了一个成像设置，以捕捉一个圆柱形全景目标的图像。相较于单超透镜，该款复合超透镜捕捉到的图像的畸变程度较低。

该款复合超透镜的设计理念及制造方法有可能对消费电子产品、汽车与机器人传感、医疗成像以及机器视觉系统等多个领域产生影响。该项研究为研发畸变程度更低、成像质量更高的高性能光学设备开启了新的可能性。