光學新突破 新鏡頭有望比頭髮絲還小

Tzuyu

媒體來源:大紀元新聞網
原文網址:https://www.epochtimes.com/b5/25/10/22/n14621582.htm
 
拿著橙色拍立得相機的女性遊客在海邊拍照。(Shutterstock)

2025-10-23 07:20 中港台時間|10-23 07:30 更新

【大紀元2025年10月22日訊】（大紀元記者吳瑞昌編譯報導）隨著現代人對於攝像工具的需求不斷增加，並越來越追求小型化，近期，澳洲與德國科學家們開發了一種全新的多層超穎透鏡（超透鏡）設計，預計徹底改變整個手機、無人機和衛星等設備的光學系統，使其變得更加小型和便捷。

近期，德國耶拿大學（Friedrich Schiller University Jena）與澳洲大學（ANU）變革性元光學系統卓越中心（TMOS）組成的研究團隊，突破障礙成功開發出一種新型多層惠更斯（Huygens）「超穎透鏡」。目前這項設計研究結果發表在《光學快報》上。

由於「超穎透鏡」（Meta Lens）屬於一種新型平面鏡片，表面大量排列比頭髮絲還微小的柱狀結構。該結構又被稱為「超原子」，能夠精準地控制光線的方向和速度，達到聚焦成像的效果。因此它被視為下一代的光學解決方案，代替傳統體積大、重量重的鏡片折射聚焦成像。

儘管超穎透鏡潛力巨大，但存在一些問題需要克服。包括無法像人類肉眼或傳統相機一樣處理不同顏色的光，只能處理單一顏色光（波長），也對光的偏振敏感，容易產生雜光影響成像。此外，超穎透鏡上的超原子製造較為困難，只要層與層之間稍有偏差就會影響成像品質。

這次，他們透過「逆向設計演算法」成功優化每一層超穎透鏡上的超原子形狀，讓每層超穎透鏡達到各司其職，以提升超穎透鏡參數的自由度。這包括為同顏色的光線設計專屬通道，讓其它不需要的光可以直接通過，以減少光線的干擾。

這種巧妙的設計，使整個超穎透鏡能夠同時處理多種不同波長的光，且之間不會互相干擾，實現了多波長聚焦。整體就像一個管弦樂隊裡面有不同的樂器，它們能夠演奏自己的旋律，卻不影響整體演奏，顯示出諧和的模樣。

該團隊在優化過程中，發現超原子形狀涵蓋了圓角的正方形、四葉草，甚至還有螺旋槳狀。這些微小的結構高約300奈米（nm）、寬1000nm，能實現全方位的完整光相位變化，讓研究人員能夠精準地控制光線，實現各種複雜的聚焦模式。

研究團隊設計出一個在2000nm和2340nm波長（紅外線）下運行的超穎透鏡，直徑125微米左右（µm）。數值孔徑（NA）為0.11。模擬測試顯示，該超穎透鏡實現了接近繞射極限，絕對聚焦效率分別達到65%和56%。

該結果與相同尺寸和數值孔徑的理想透鏡相比，相當於擁有76%和65%相對聚焦效率，足以達到完整成像和多方面應用。

研究人員表示，此方法的一個關鍵優勢在於，各層被設計為在遠場（波動繞射的一種）內間隔一段距離，使得多層設計對於每一層錯位具有高度的容忍度。因此，非常適合當前的大面積奈米製造技術，且每層都可以單獨製造，能簡單地封裝在最終裝置中，達到擴展實際應用的目標。

他們還表示，未來將進行更多研究，並考慮多個超原子相互作用和更大的操作角度，進一步提高超穎透鏡的孔徑數目和成像效率。預計該技術將被用於彩色路由器（用於光分離）、渦旋光束（用於光學操縱）、雙螺旋點擴散函數（用於超解析度顯微鏡）和其它光學儀器上。

該設計的論文第一作者、ANU的博士生約書亞‧喬丹（Joshua Jordaan）對該校的新聞社表示，採用多層超材料設計的超穎透鏡，可以同時聚焦來自非偏振光源和大直徑波長光，並克服了超穎透鏡過去的局限性。

喬丹接著說，「由於它的縱橫比很低，每一層都可以單獨製作和封裝在一起，並且對偏振不敏感，因此它容易製造，可透過成熟的半導體奈米製造平台進行擴展，且能實際運用到設備上。」

他解釋，研究小組最初嘗試用單層材料聚焦多個波長，但遇到了一些限制。「事實證明，單層超表面本身具有物理限制。這為整個超穎透鏡的數值孔徑、物理直徑和工作頻寬的乘積設定了上限。」

他補充表示，「為了在我們需要的波長範圍內工作，單層就必須具有非常小的直徑，但這違背我們最初設計的目的。如果使用非常低的數值孔徑，就幾乎根本無法聚焦光線。那時我們意識到需要一個更複雜的結構，最終選用多層方法。」

喬丹還表示，「這次設計的超穎透鏡，遠比傳統的玻璃鏡體積和重量要小，因此非常適合用於無人機或地球觀測衛星上」，將為未來的便攜式成像系統帶來福音。

責任編輯：林妍#
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感想:新的科技如果成熟，未來這種很小的鏡頭可以運用到很多方面。

zebron

光學新穎鏡頭（也稱為 meta lens 或 metalens）是一種先進的平面光學元件，利用納米級人工結構（稱為「meta-atoms」或納米柱）來精確操縱光的相位、偏振和強度，從而實現聚焦、成像或其他光學功能。它被視為傳統曲面鏡頭的革命性替代品，能夠在極薄的平面表面上完成複雜的光學操作。

工作原理

傳統鏡頭（如凸透鏡）依賴光的折射，透過曲面形狀改變光的路徑。但 meta lens 基於「超表面」（metasurface）技術，這是一層由數百萬個亞波長（小於光波長的）納米結構組成的平面陣列。這些結構能引入精確的相位延遲（類似於波前整形），使入射光波彎曲或聚焦，模擬傳統鏡頭的效果，但無需彎曲表面。 例如，光通過這些納米柱時，會產生模擬 2π 相位循環的效應，實現高效的光束控制。
與傳統繞射鏡頭不同，meta lens 的納米結構更小、更精細，能處理更高階的相位變化（Fresnel 數），並減少色散和像差問題。

優點

•  薄型與輕量：厚度僅數微米，適合小型化設備，如智能手機相機或 AR 眼鏡，解決「相機凸起」問題。
•  高效率與多功能：單一 meta lens 可取代多個傳統鏡頭，實現偏振控制、顏色分離或多焦點成像。
•  易製造：使用半導體製程（如光刻）在矽晶圓上大規模生產，成本低且相容性高。
•  廣泛波長適用：目前常用於近紅外（NIR）和短波紅外（SWIR），未來可擴展至可見光和寬頻。

應用

•  消費電子：提升手機、平板和穿戴裝置的相機模組，實現邊緣到邊緣的高解析度成像。
•  感測與成像：用於時間飛行（ToF）距離感測、醫療內視鏡或無人機光學系統。
•  先進光學：在顯示器、投影機、衛星或真空紫外光聚焦中應用，提供更高解析力和穩定性。


meta lens 技術自 2010 年代後期快速發展，已從實驗室走向商業化（如 Metalenz 公司產品）。 儘管仍面臨挑戰（如寬頻效率優化），但它預示著光學領域的未來趨勢，將使光學系統更小、更智能。

MichellePei

雖然看不懂，但感覺還滿厲害的，也許以後我們的手機可以更輕薄，但拍照效果又更好。

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長知識了, 感謝!