导读

光学成像中的色差与视场受限问题，始终是制约超透镜实用化发展的核心瓶颈，传统相位色散调控方案难以突破消色差超透镜口径、数值孔径与工作带宽的严苛互约束，大口径、大视场的宽带消色差设计更是领域内公认的技术难题。近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所王建立、王承邈、王斌、邓永停团队联合德国卡尔斯鲁厄理工学院邓永波团队，跳出传统消色差设计框架，创新性提出基于贝塞尔光斑宽谱一致性结合计算成像的全新范式，研制出单片集成 9 个不同视场超构轴锥镜的极简光学系统，实现了 10° 拼接视场内全可见光波段的消色差成像，全视场角分辨率可达同口径近衍射极限透镜的 80% 以上。该方案彻底规避了传统消色差超透镜的口径限制，为大口径、大视场超表面相机设计提供了通用技术路径，在天文观测、机器视觉、生物显微成像等领域具有广阔应用前景。相关研究成果以“Minimalist optical system for achromatic imaging within extended field of view based on monolithic integrated meta-axicon cluster”，为题发表于《Light: Science & Applications》。

研究背景

超透镜凭借轻量化、平面化、易集成的独特优势，成为新一代光学成像技术的核心载体，然而色差问题始终是制约其宽带应用的核心瓶颈。当前主流的相位色散调控方案，受限于现有微纳加工技术，无法突破消色差超透镜口径、数值孔径与工作带宽的严苛互约束，大口径超透镜的宽带消色差设计更是成为领域内公认的技术难题。尽管研究人员相继提出频域相干优化、渐进相位补偿、多层结构设计等一系列改进方案，却始终无法兼顾消色差性能与加工可行性，基于超构轴锥镜的计算成像方案也面临离轴像差敏感、有效视场严重受限的短板，始终未能破解大口径、宽视场、宽带消色差难以兼得的长期困境，亟需发展全新的成像原理与技术方法。

研究亮点

本研究摒弃了传统高效率点聚焦的设计思路，优先保障点扩散函数（PSF）的宽谱一致性，利用超构轴锥镜生成的贝塞尔光斑在光栅方程约束下，相对强度分布与波长无关的天然色散特性，仅需搭配后端非盲图像复原技术即可实现宽带消色差成像，完全规避了相位色散调控能力对透镜口径的限制，为大口径消色差超表面成像系统设计开辟了全新的技术路径。现有基于相位色散工程的超透镜设计方法极难实现宽谱相位匹配，而只针对中心波长设计的超透镜又具有极严重的色差，又混杂双曲相位携带的离轴像差（图1a），为高质量图像复原带来了巨大困难。然而对于径向结构周期为P的超构轴锥镜，其出射光孔径角由1阶衍射的光栅方程决定，故其产生的宽谱贝塞尔光束点扩散函数中不显含波长变量，说明由超构轴锥镜1阶衍射生成的贝塞尔光斑相对强度具有优异的宽谱一致性（图1b）。理论设计表明，本工作设计的直径D1 =4 mm，焦距F0=30 mm，孔径角α0=3.81°的超构轴锥镜，在工作谱段450 nm到700 nm范围内，生成贝塞尔光束（图1c）具有尽量大的焦深，设置的后工作距FB可以保证在全工作谱段有效接收贝塞尔光斑。

图1：(a) 单色超透镜的光线追迹及PSF示意图；(b) 超构轴锥镜的光线追迹及PSF示意图；(c) 超构轴锥镜生成贝塞尔光束的截面强度仿真示意图

本文创新设计了具有偏心锥面相位的离轴超构轴锥镜，攻克了常规超构轴锥镜离轴像差敏感、有效成像视场严重受限的核心短板。常规超构轴锥镜仅在正入射条件下具备宽谱 PSF 一致性，斜入射会破坏出射波前的圆对称性，引入严重的单色离轴像差与垂轴色差，可实现高质量图像复原的视场角仅 2.7°。本研究通过局域等光程约束完成离轴超构轴锥镜的相位求解（图2a），可将斜入射平面波转化为非严格离轴贝塞尔光束；进一步引入宽谱约束优化相位分布，以平衡单色结构设计过程中未被考虑的垂轴色差，将全可见光谱内的焦斑偏移量从近 1 μm 压缩至 100 nm 以内（图2b），精准抑制垂轴色差，最终将离轴超构轴锥镜单器件的有效成像视场拓展至 2.5°~5°。

图2：(a)离轴超构轴锥镜的相位求解示意图；(b) 宽谱色差校正前后的焦斑偏移量曲线

为进行大视场宽带消色差高分辨率成像的实验验证，研究团队制备了单片超构轴锥镜集群。研究团队在单片超表面上集成了 1 个 4 mm 口径的主轴锥镜与 8 个 3 mm 口径的离轴超构轴锥镜（图3a），构建了覆盖不同设计视场的 9 通道超构轴锥镜集群，配套开发了基于全变分正则化的非盲反卷积图像复原模块，对各视场成像结果分别复原后拼接高质量复原区域，最终实现 10° 全视场内全可见光波段的消色差成像（图3b,c）。进一步实验测试表明，该系统全视场内的极限角分辨率可达同口径近衍射极限透镜的 80% 以上。

图3：(a) 多个超构轴锥镜集成的样片实物图及局部放大图像；(b) 超构轴锥镜集群的直接成像效果、全局图像复原效果及局部视场放大图；(c) 超构轴锥镜高质量视场区域复原、拼接效果图

总结与展望

本研究跳出传统相位色散调控的消色差设计框架，创新性提出了基于单片集成超构轴锥镜集群的极简光学系统设计方法，利用自然色散条件下零阶贝塞尔光斑相对强度分布的宽谱一致性特性，搭配适配的非盲反卷积计算成像模块，从原理上规避了传统消色差超透镜的口径限制。针对常规超构轴锥镜离轴像差敏感、有效视场严重受限的核心短板，团队设计的偏心锥面相位离轴超构轴锥镜，实现了斜入射光下离轴贝塞尔光束的宽带均匀输出与垂轴色差的精准抑制，最终通过 1 个 4 mm 口径主轴锥镜与 8 个 3 mm 口径离轴轴锥镜的单片集成，完成了 10° 拼接视场内全可见光波段的消色差成像，全视场极限角分辨率可达同口径近衍射极限透镜的 80% 以上，有效攻克了单片超表面成像长期存在的口径、视场、宽谱分辨率难以兼顾的核心难题，为超表面极简光学系统的发展提供了全新的技术范式。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02272-y