微纳结构重塑成像系统：超薄金属透镜实现大景深清晰成像

中国科学技术大学研究团队开发出一种三次相位金属透镜（cubic-metalens），利用纳米级硅结构将成像透镜与波前编码相位掩模集成在同一片超薄器件上。结合CMOS图像传感器和计算重建算法，该系统能够在物体距离发生变化时保持清晰成像，为微型相机、生物医学成像和机器视觉提供新的解决方案。

将两种光学功能集成到一片超表面

普通相机的景深有限，物体一旦偏离焦平面，图像便会变得模糊。波前编码技术可以扩大景深，但传统系统通常需要分别设置成像透镜和相位掩模，增加了设备体积及光学装调难度。

新型金属透镜采用纳米级硅结构阵列调控入射光的相位，使同一片平面超表面同时完成光线聚焦和三次相位编码。相比使用多个独立光学元件的方案，这种集成设计更有利于减小成像系统尺寸。

计算重建补偿离焦影响

三次相位结构能够对进入系统的光场进行编码，使不同离焦位置下的点扩散函数保持相对稳定。相机采集编码图像后，再通过维纳滤波算法进行处理，恢复出清晰图像。

实验中，当物体相对焦平面移动至少±3厘米时，传统金属透镜的成像质量已经明显下降，而三次相位金属透镜仍能获得可被有效重建的图像。

研究人员还在光路中加入厚玻璃板，以及玻璃与水的组合，用于模拟透明介质产生的干扰。测试结果显示，系统在这些条件下依然能够完成图像恢复，表现出一定的抗离焦和抗透明介质扰动能力。

微纳制造支撑光学系统集成

这项研究并不是单纯提高透镜的聚焦性能，而是通过微纳光学结构与计算成像算法的协同设计，降低成像设备对复杂镜头组和机械调焦机构的依赖。

金属透镜由大量纳米结构单元构成，其实际应用需要微纳加工技术保证结构尺寸、排列位置和形貌的一致性。未来实现规模化应用，还需进一步解决大面积制造、加工误差控制、光学效率、宽光谱成像和器件封装等问题。

凭借紧凑结构和较强的离焦容忍能力，该技术有望用于生物医学成像、机器视觉、集成相机、便携式检测设备及微型光学传感系统。

相关论文发表于《IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics》，题为《Defocus-Resistant Computational Imaging With Wavefront-Coding Metalens》。

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原文：IEEE Study Develops a Compact Metalens That Keeps Images Sharp Across Different Distances