近日，季华实验室微纳制造技术研究团队（简称“微纳制造团队”）联合湖南大学等机构，以季华实验室为第一完成单位在光学与光子学领域国际顶级期刊Light: Science & Applications 上发表题为"Dielectric Metalens for Miniaturized Imaging Systems: Progress and Challenges"的综述文章，论述了超构透镜在微型化成像系统中的研究进展和面临的挑战。
△潘美妍博士等科研人员以季华实验室为第一单位在Light: Science & Applications发表综述文章
Light: Science & Applications是Nature集团合作出版的国际学术期刊，期刊内容包括光学与光子学的基础研究以及工程和应用基础领域的相关议题，最新影响因子20.257，在JCR和中科院期刊分区均为一区，其谷歌学术期刊指数位列“光学与光子学”期刊第二名。
随着消费电子、工业、医疗和汽车市场对微型化、轻量化成像系统的需求日益增多，如何研制尺寸更小的光学透镜成了亟待解决的问题。尽管通过自由曲面和微纳制造技术已经可以实现更薄、更轻的折射透镜，但是由于传统透镜对光波的调控能力依赖于其界面折射效应和透镜材料中的传播相位积累，进一步缩小其厚度极具困难。此外，为了获得高成像质量，通常需要级联透镜，不仅导致系统难以压缩，透镜之间的精确对准也面临困难。
△看似简单小巧的手机镜头实际上包含了复杂的光学结构|2018年苹果发布会
作为替代方案，基于超构表面的平面超构透镜可以克服大多数现有挑战。超构透镜是实现透镜成像功能的超构表面（又称“超表面”）。它基于亚波长的人工结构单元对入射光的相位等参量进行局域调控，从而构建聚焦波面对应的相位分布，最终实现透镜聚焦或成像的功能。与传统光学透镜相比，超构透镜是平面结构，具备超轻超薄（微米/亚微米厚度）等特征，有望实现高度集成的成像系统。
△超构透镜和传统商业镜头对比示意图|普林斯顿计算成像实验室 Princeton Computational Imaging Lab, https://light.princeton.edu/
为推动超构透镜在超紧凑成像设备中的进一步发展，季华实验室微纳制造团队潘美妍博士等科研人员发表长文综述，突出介绍了全介质超构透镜在微型成像系统中的研究进展，并强调了其未来发展所面临的挑战。
△论文内容概览：全介质超构透镜在微型成像系统中的优势及其进一步发展面临的挑战
该论文首先阐明了介质超构透镜背后的基础物理知识，然后讨论了介质超构透镜的显著优势并介绍其最新研究成果，包括:（1）超构透镜强大的像差矫正性能（大数值孔径和大视场角情况下的消像差成像、基于超构表面色散调控能力的宽带消色差成像）；（2）超构透镜的多功能复用性能（单个透镜实现偏振成像、变焦镜头、三维成像等应用）；（3）CMOS兼容制备工艺（精密对准、芯片集成等优势）。同时，分析了目前技术在进一步提升各项优势性能方面所面临的问题和阻碍。
△超构透镜的显著优势。（a）单个传统球面镜的成像存在球差、彗差、场曲、像散等像差；单片超构透镜可实现图例所示消像差成像；（b）消色差超构透镜；（c）基于超构透镜的偏振成像研究示例；（d）超构透镜与CMOS的集成示例
图源：(b) https://spie.org/news/broadband-achromatic-metalens; (c) Appl. Phys. Lett. 114, 161904 (2019); (d) Advanced Photonics, 2(6), 066004 (2020).
论文还强调了介质超构透镜发展未来集成光学系统应用面临的难题，并结合前沿进展提供了可能的解决方法。文章指出：（1）超构透镜的常规设计方法存在相位离散和制造约束等因素带来的局限性，实现大孔径、大视场、大宽带和高效率的超构透镜仍有难度；（2）随着计算机技术的发展，高性能超构透镜的智能设计已呈快速发展之势，但还应通过进一步优化设计原理实现高性能高效率设计；（3）先进数据处理算法、发展步进式光刻和纳米压印技术有望解决大面积超构透镜的高效率制备生产这一难题；（4）超构透镜-传感器封装模块已初见雏形，但芯片集成的超构透镜制备与封装技术仍需进一步发展。
最后，文章基于上述讨论列举了几个可深入探究的研究方向，涵盖超构透镜设计和制备的新原理、新技术、新应用等方面。相信未来研究人员针对文章中论述的难题和挑战努力优化设计原理，提升透镜加工技术，将能明显提升超构透镜的成像性能，实现更轻薄更紧凑的光学成像系统，从而在消费电子、新型显示、智能驾驶、医疗装备、光学计算、基础科研等领域得到广泛应用。
△超构透镜在各领域的应用示例。（a）穿戴式显示；（b）微粒捕获；（c）全息显示
图源：(a) https://www.rochester.edu/newscenter/a-new-way-to-make-ar-vr-glasses-476742/; (b) Plidschun et al. Light: Science & Applications (2021) 10:57; (c) Hu et al. Light: Science & Applications (2019) 8:86
论文信息：Pan MY., Fu YF., Zheng MJ., et al. Dielectric Metalens for Miniaturized Imaging Systems: Progress and Challenges. Light Sci. Appl. 11, 195 (2022).
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41377-022-00885-7
该成果还得到了Light: Science & Applications公众号、中国光学公众号、两江科技评论公众号等科技新媒体的大力宣传。
团队简介
季华实验室微纳制造团队面向先进光学、光电子学、微电子学等领域，发展高精度微纳米器件及装备的小规模定制和大批量生产新原理、新工艺、新技术、新体系。微纳光学是团队部署的重点研究方向之一，主要探索新型微纳光学元件在激光加工、多信息成像、新型显示等行业领域的应用。研究团队已在极端微纳制造及微纳光学研究领域取得了系列阶段性成果，承担及参与国家重大专项、国家自然科学基金等项目十余项，已开发亚10 nm尺度电子束光刻和跨尺度微纳制造工艺，发展多功能微纳光学元件设计体系，并实现多类平面光学元件的原型展示及装备样机应用。
来源：Light: Science & Applications期刊
编辑：微纳制造团队