超透鏡折疊系統(tǒng)應(yīng)用于超薄相機(jī)產(chǎn)品

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
在現(xiàn)代消費(fèi)電子產(chǎn)品中，從智能手機(jī)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)器件，對(duì)超薄相機(jī)的需求日益增長(zhǎng)。傳統(tǒng)相機(jī)設(shè)計(jì)面臨一個(gè)根本限制：透鏡系統(tǒng)的厚度。通過(guò)創(chuàng)新使用超透鏡折疊光學(xué)系統(tǒng)，研究人員開(kāi)發(fā)出一種新型解決方案，在保持高質(zhì)量成像性能的同時(shí)，顯著減小相機(jī)尺寸[1]。

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, j5 X8 Z( H9 z, a6 B2 v+ s- ^相機(jī)微型化的挑戰(zhàn)
9 ~0 j/ E2 M" r) f0 e5 W傳統(tǒng)相機(jī)依賴垂直堆疊的折射透鏡，這種結(jié)構(gòu)固有地導(dǎo)致體積增大，主要有兩個(gè)原因。首先，單個(gè)透鏡之間需要空隙來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的有效焦距(EFL)并校正光學(xué)像差。其次，折射透鏡本身的物理體積會(huì)顯著增加系統(tǒng)的厚度。

圖1：傳統(tǒng)相機(jī)透鏡系統(tǒng)(A)展示了折射透鏡的垂直堆疊，而創(chuàng)新的超透鏡折疊光學(xué)方法(B)演示了光路如何在玻璃基底內(nèi)折疊。
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9 v) d: q4 W4 p, T- ?2 X超透鏡解決方案
這項(xiàng)創(chuàng)新解決方案利用超透鏡——可以在亞波長(zhǎng)尺度上操控光的二維納米結(jié)構(gòu)陣列。這些超透鏡水平排列在玻璃晶圓上，引導(dǎo)光線沿著基底內(nèi)的多重折疊路徑傳播。這種方法實(shí)現(xiàn)了僅0.7毫米厚的超薄透鏡系統(tǒng)，使其厚度僅為有效焦距的一半。
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圖2：超透鏡折疊透鏡系統(tǒng)的全面展示，包括：(A)光線追蹤優(yōu)化結(jié)果，(B)模擬PSF網(wǎng)格，(C)相位分布和傅里葉變換振幅，(D)單元結(jié)構(gòu)和透射系數(shù)庫(kù)，(E)制造樣品照片，(F)顯微鏡視圖，(G)納米結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖像。
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  E% J/ j4 B% t9 g& J. G! Y. Z性能和功能
超透鏡折疊透鏡系統(tǒng)展現(xiàn)出優(yōu)異的性能指標(biāo)。在852納米工作波長(zhǎng)下，系統(tǒng)提供10°視場(chǎng)角和4的光圈數(shù)，實(shí)現(xiàn)接近衍射極限的成像質(zhì)量。研究人員對(duì)系統(tǒng)的聚焦能力在不同角度和偏振狀態(tài)下進(jìn)行了廣泛測(cè)試。

圖3：聚焦性能分析顯示：(A)入射角度定義，(B)模擬和測(cè)量的PSF，(C-D)模擬和實(shí)驗(yàn)中的MTF，(E)焦點(diǎn)位置，(F)測(cè)量的聚焦效率。

& }$ h% K, h/ K& t& `2 E( {實(shí)際應(yīng)用和成像結(jié)果
通過(guò)與傳統(tǒng)透鏡系統(tǒng)的對(duì)比測(cè)試，證實(shí)了該系統(tǒng)的實(shí)際成像能力。結(jié)果表明，超透鏡折疊透鏡系統(tǒng)在顯著減小厚度的同時(shí)，保持了相當(dāng)?shù)某上褓|(zhì)量。
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9 s$ w) V2 E# }0 Y圖4：傳統(tǒng)方案與超透鏡折疊透鏡系統(tǒng)的成像性能對(duì)比，展示了概念圖示和測(cè)試圖案的捕獲圖像。
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. P( m- {8 m1 A& y" d3 e, A未來(lái)發(fā)展
: W, _% C' g6 I( ^* \' E這項(xiàng)技術(shù)在器件厚度是關(guān)鍵因素的消費(fèi)電子產(chǎn)品中具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。目前的原型在特定波長(zhǎng)下運(yùn)行，持續(xù)的研究旨在通過(guò)先進(jìn)材料和制造技術(shù)，將功能擴(kuò)展到可見(jiàn)光波長(zhǎng)并提高效率。
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超透鏡折疊透鏡系統(tǒng)在光學(xué)系統(tǒng)微型化方面取得重要突破。在顯著減小厚度的同時(shí)保持高質(zhì)量成像的能力，使其成為智能手機(jī)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)器件等需要緊湊外形的下一代相機(jī)的理想解決方案。

參考文獻(xiàn)
[1] Y. Kim et al., "Metasurface folded lens system for ultrathin cameras," Science Advances, vol. 10, no. eadr2319, pp. 1-8, Oct. 2024.

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