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引言5 n) ~+ b4 Q2 M/ [
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)實器件,對超薄相機(jī)的需求日益增長。傳統(tǒng)相機(jī)設(shè)計面臨一個根本限制:透鏡系統(tǒng)的厚度。通過創(chuàng)新使用超透鏡折疊光學(xué)系統(tǒng),研究人員開發(fā)出一種新型解決方案,在保持高質(zhì)量成像性能的同時,顯著減小相機(jī)尺寸[1]。5 R4 X: N, \6 |
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. Y" s/ ]: C) ^( ]5 t& @, O# t相機(jī)微型化的挑戰(zhàn)
, F) o) G: l% _+ L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,主要有兩個原因。首先,單個透鏡之間需要空隙來實現(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顯著增加系統(tǒng)的厚度。3 j* ]$ M/ z9 X0 c+ g2 _9 V
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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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0 a8 r) g+ x; x% M/ G/ C' p超透鏡解決方案) I; P o+ h- \4 ^
這項創(chuàng)新解決方案利用超透鏡——可以在亞波長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。. E% d8 Z0 }- D$ R
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" P; i; m# g% \1 B, _$ V# z( D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,(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。$ B7 ^: S! ]( `3 z; S9 p6 |2 t k6 ^
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性能和功能- g, x9 c6 z& K6 e" G6 e
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納米工作波長下,系統(tǒng)提供10°視場角和4的光圈數(shù),實現(xiàn)接近衍射極限的成像質(zhì)量。研究人員對系統(tǒng)的聚焦能力在不同角度和偏振狀態(tài)下進(jìn)行了廣泛測試。8 N- }* g& O5 r( G$ m8 `) V
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" s" X3 V G) F6 _: r圖3:聚焦性能分析顯示:(A)入射角度定義,(B)模擬和測量的PSF,(C-D)模擬和實驗中的MTF,(E)焦點(diǎn)位置,(F)測量的聚焦效率。& R0 D6 z7 [4 s+ {2 a V
; x# c. x. d& e- u" u實際應(yīng)用和成像結(jié)果
L1 ~1 r6 z0 k9 r( f% L通過與傳統(tǒng)透鏡系統(tǒng)的對比測試,證實了該系統(tǒng)的實際成像能力。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,保持了相當(dāng)?shù)某上褓|(zhì)量。7 |. {: N# B$ ~, @3 t; D
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# M/ h$ w4 y }# m0 Z) H: v圖4:傳統(tǒng)方案與超透鏡折疊透鏡系統(tǒng)的成像性能對比,展示了概念圖示和測試圖案的捕獲圖像。/ H5 G( U: m3 ?9 |6 X6 ], R s: v
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未來發(fā)展
' p$ ~* `# ^3 N這項技術(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)用價值。目前的原型在特定波長下運(yùn)行,持續(xù)的研究旨在通過先進(jìn)材料和制造技術(shù),將功能擴(kuò)展到可見光波長并提高效率。
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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)實器件等需要緊湊外形的下一代相機(jī)的理想解決方案。
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參考文獻(xiàn)& C& z* e6 K( \& E; O5 T
[1] Y. Kim et al., "Metasurface folded lens system for ultrathin cameras," Science Advances, vol. 10, no. eadr2319, pp. 1-8, Oct. 2024.2 E$ w$ V$ N5 k4 @
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深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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