超透鏡折疊系統(tǒng)應(yīng)用于超薄相機產(chǎn)品

逍遙設(shè)計自動化

引言
" i7 W$ w! K2 R1 e; n3 r- d. A# H在現(xiàn)代消費電子產(chǎn)品中，從智能手機到增強現(xiàn)實器件，對超薄相機的需求日益增長。傳統(tǒng)相機設(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，顯著減小相機尺寸[1]。
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" X. p: A- [  i相機微型化的挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)相機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。
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4 H: |% G+ m; Y6 p' s+ `" ]( g圖1：傳統(tǒng)相機透鏡系統(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。

( N+ `( b# m( p$ |9 S超透鏡解決方案
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。
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( h. M7 ]7 Q4 N- _" K: O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。

性能和功能
" L/ I& O8 c3 e) f( E+ p, `超透鏡折疊透鏡系統(tǒng)展現(xiàn)出優(yōu)異的性能指標。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)下進行了廣泛測試。
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9 I3 k0 ~: r3 K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)焦點位置，(F)測量的聚焦效率。
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實際應(yīng)用和成像結(jié)果
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。

* V5 E  b, Q/ o+ Z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。
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  I& r7 B( v4 Y# B7 @1 W/ s8 J未來發(fā)展
這項技術(shù)在器件厚度是關(guān)鍵因素的消費電子產(chǎn)品中具有廣泛應(yīng)用價值。目前的原型在特定波長下運行，持續(xù)的研究旨在通過先進材料和制造技術(shù)，將功能擴展到可見光波長并提高效率。

5 p9 h1 s& u! o7 u" U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、增強現(xiàn)實器件等需要緊湊外形的下一代相機的理想解決方案。
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# W8 d$ d/ S. b8 |參考文獻
[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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