宽场超透镜，迈向商业化应用的关键一步

传统宽视场光学器件

视场（FOV）是光学和光学系统的关键性能指标。宽视场光学系统广泛应用于机器视觉、增强/虚拟现实 、汽车传感、机器人传感、生物医学成像和安全监控等领域。传统的宽视场光学系统，例如所谓的“鱼眼镜头”，通常需要级联多个折射光学元件以减轻离轴像差。因此，宽视场光学器件不仅成为了笨重和复杂多镜头组件的代名词，而且此类复合透镜组设计还增加了光学器件的尺寸、重量、成本和复杂性，严重限制了其广泛应用。

光学超透镜

光学超表面是包含亚波长天线（也称为“超原子”）阵列的平面人工介质，能够克服上述传统光学的限制。麻省理工学院古田博士和胡崛隽教授领导的研究团队首次提出了一种新型宽视场超透镜设计，将一块平面玻璃变成具有近 180°视场，同时高分辨率可达衍射极限性能的超紧凑“鱼眼镜头”，其设计结构如图 1 所示，它包括一块平面透明基板，其前表面有一个光阑，后表面搭载微加工的超表面结构。从不同角度入射的光束首先被折射到超表面上，然后聚焦到一个平坦的像平面上。但由于超透镜是通过数值优化设计的，这不仅涉及大量的数值计算，而且有碍于设计空间的持续拓展。

图1 全景平面鱼眼镜头示意图

宽视场超透镜设计

为了进一步推进广角平面透镜技术，麻省理工学院博士生杨帆和古田博士等研究人员在Chinese Optics Letters 2023年第21卷第2期中(F. Yang et al. Understanding wide field-of-view flat lenses: an analytical solution [Invited])提出了一种新颖宽视场超透镜设计方法，为这些透镜中使用的超表面相位函数提供了解析形式的解，并被选为当期Editors’ Pick。

该方法极大简化了宽视场超表面光学器件的设计流程，将设计迭代时间减少到数小时甚至更短。使用传统数值方法量化各种设计指标非常耗时和费力，而这种新方法可以通过广泛的参数搜索来进行镜片的优化设计。更重要的是，该团队基于此方法来分析镜头设计的关键性能指标，从而阐明了对大视场平面镜头至关重要的设计思路。例如，所谓的“远心”配置已经在之前的大视场超透镜设计中被采用，但迄今为止缺乏严格的理论依据。该团队从理论上揭示了此种配置可以实现最佳成像质量的原因。

图2 通过宽视场透镜进行全景成像

未来展望

这一结果将对广角平面镜头的应用产生广泛影响。宽视场超透镜技术的潜在应用之一包括三维深度传感。例如，增强/虚拟现实设备在外部感知方面需要与人类视觉相匹配的宽视场和成像质量才能提供身临其境的用户体验。与之类似，宽视场、高分辨率和小型化是微创或即时诊断生物医学成像中令人梦寐以求的功能。

该方法也有望用于多领域的宽视场视频监控系统，例如驾驶员监控系统、眼动追踪，生物特征识别，安全监控等。该方法将在加速技术落地方面发挥关键作用，推动宽视场平面光学器件的商业应用。