超透镜折叠系统应用于超薄相机产品

逍遥设计自动化

引言
在现代消费电子产品中，从智能手机到增强现实器件，对超薄相机的需求日益增长。传统相机设计面临一个根本限制：透镜系统的厚度。通过创新使用超透镜折叠光学系统，研究人员开发出一种新型解决方案，在保持高质量成像性能的同时，显著减小相机尺寸[1]。
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; W$ X* G: B. a# x7 m- ~) d6 ~! C8 `相机微型化的挑战
* t2 N2 b2 Q+ {1 ?传统相机依赖垂直堆叠的折射透镜，这种结构固有地导致体积增大，主要有两个原因。首先，单个透镜之间需要空隙来实现所需的有效焦距(EFL)并校正光学像差。其次，折射透镜本身的物理体积会显著增加系统的厚度。
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6 I$ {+ v6 @0 m" y7 k: E图1：传统相机透镜系统(A)展示了折射透镜的垂直堆叠，而创新的超透镜折叠光学方法(B)演示了光路如何在玻璃基底内折叠。
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这项创新解决方案利用超透镜——可以在亚波长尺度上操控光的二维纳米结构阵列。这些超透镜水平排列在玻璃晶圆上，引导光线沿着基底内的多重折叠路径传播。这种方法实现了仅0.7毫米厚的超薄透镜系统，使其厚度仅为有效焦距的一半。

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( i% |7 X" o/ s0 e1 Y' k图2：超透镜折叠透镜系统的全面展示，包括：(A)光线追踪优化结果，(B)模拟PSF网格，(C)相位分布和傅里叶变换振幅，(D)单元结构和透射系数库，(E)制造样品照片，(F)显微镜视图，(G)纳米结构的扫描电子显微镜图像。

性能和功能
超透镜折叠透镜系统展现出优异的性能指标。在852纳米工作波长下，系统提供10°视场角和4的光圈数，实现接近衍射极限的成像质量。研究人员对系统的聚焦能力在不同角度和偏振状态下进行了广泛测试。
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8 g% @' a' A1 L1 n3 r5 P图3：聚焦性能分析显示：(A)入射角度定义，(B)模拟和测量的PSF，(C-D)模拟和实验中的MTF，(E)焦点位置，(F)测量的聚焦效率。

实际应用和成像结果
通过与传统透镜系统的对比测试，证实了该系统的实际成像能力。结果表明，超透镜折叠透镜系统在显著减小厚度的同时，保持了相当的成像质量。

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: A- }' `4 R& i  j, k图4：传统方案与超透镜折叠透镜系统的成像性能对比，展示了概念图示和测试图案的捕获图像。

未来发展
这项技术在器件厚度是关键因素的消费电子产品中具有广泛应用价值。目前的原型在特定波长下运行，持续的研究旨在通过先进材料和制造技术，将功能扩展到可见光波长并提高效率。

* x, i' S+ g- R6 `6 P8 `  d超透镜折叠透镜系统在光学系统微型化方面取得重要突破。在显著减小厚度的同时保持高质量成像的能力，使其成为智能手机、增强现实器件等需要紧凑外形的下一代相机的理想解决方案。

( L) y7 x& D$ Z9 G1 L& J9 a参考文献
[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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