微纳制造推动超透镜集成创新：离焦±3厘米仍可恢复清晰图像

中国科学技术大学研究团队开发出一种超薄“立方相位超透镜”（cubic-metalens），将成像透镜与波前编码相位掩模集成在单一超表面器件中。配合CMOS图像传感器和计算重建算法，该系统能够在更大的距离范围内获得清晰图像，降低对精密机械调焦机构的依赖。

将两种光学功能集成在一片超表面上

传统相机的景深有限，当物体偏离焦平面时，图像会迅速模糊。波前编码技术可以扩大成像系统的有效景深，但传统方案通常需要将成像镜头和相位掩模作为两个独立光学元件安装，不利于系统小型化。由陆永华教授带领的研究团队将成像透镜功能和三次相位调制功能同时编码到一片超薄超表面中。这里的“立方”并不是指器件外形，而是指超透镜采用三次相位分布对光波前进行编码。器件表面排列着纳米尺度的硅结构，不同位置的纳米结构对入射光施加特定相位调制，使单一平面光学元件能够同时完成聚焦和波前编码。

光学编码结合计算重建

立方相位超透镜并不是直接在传感器上形成完全清晰的原始图像，而是通过经过设计的点扩散函数保存不同离焦位置的图像信息，系统随后使用维纳滤波算法对CMOS传感器采集的图像进行计算重建。实验显示，当物体相对焦平面移动至少±3厘米时，传统超透镜获得的图像已经明显退化，而立方相位超透镜系统仍能通过算法恢复出较高质量的图像。这种光学编码与数字处理相结合的方式，可以将一部分传统机械调焦任务转移到超表面设计和计算重建环节。

穿过玻璃和水后仍能重建图像

研究人员还在光路中加入透明障碍物，包括较厚的玻璃板，以及玻璃与水组成的复合介质，以模拟更加复杂的成像环境。尽管透明介质会带来折射和离焦变化，立方相位超透镜采集的图像仍能够进行有效重建。研究团队认为，这说明该系统对离焦和部分透明介质扰动具有较好的稳定性。

面向集成化生物成像和机器视觉

通过把镜头与相位掩模集成到单片微纳结构中，该方案减少了分立光学元件数量，并有望缩小相机模组厚度和体积；其抗离焦能力也可减少机械移动部件，提高成像系统的稳定性。研究团队认为，这种超透镜可进一步用于生物医学成像、机器视觉和紧凑型集成相机。不过，该成果目前主要验证了单色条件下的离焦成像与计算恢复能力，实际应用还需要综合考虑宽光谱成像、制造一致性、算法速度及大面积超表面加工等问题。

原文：Cubic-Metalens Delivers Clear Images Without Precise Mechanical Focusing