复合超透镜实现了无畸变、宽视场成像

发布时间:2025-01-24 09:32:34 阅读数: 38


复合超透镜实现无畸变大视场成像

来源:郑涵予等


在光学技术的不断探索中,科学家们近期取得了一项重要突破——研发出了一种能够显著减少成像畸变的复合超构透镜。这项创新成果被发表在《工程》杂志上,它不仅展示了光学设计的新境界,也为未来各类光学应用提供了更为精准的工具。

超构透镜,作为现代光学技术中的一颗璀璨明珠,已经在诸如光束操控、成像技术、深度感知以及显示投影等多个领域展现出巨大潜力。然而,如同许多先进技术一样,它也面临着挑战:光学畸变。这种畸变会影响图像的准确性,使得原本直线的物体在成像中变得弯曲,从而影响视觉体验和信息解读的准确性。

为了解决这一难题,研究人员设计了一种全新的复合超构透镜。这种透镜的特别之处在于其双重超表面的结构,与传统的单层超构透镜相比,它提供了更多的设计自由度。这种设计自由度使得研究人员能够精细地调整透镜对不同入射角度光线的响应,从而有效控制图像畸变,同时保持其他光学性能,如清晰度,处于最优状态。

实验中,研究人员制造了一个复合鱼眼超透镜,它在140°的宽广视场范围内展现出了衍射限制性能,这意味着其成像质量接近理论极限。更重要的是,该透镜的管状畸变率极低,仅为2%,相比之下,未进行畸变补偿的参考透镜畸变率则高达22%。这一显著的改善,使得复合超透镜在成像质量上有了质的飞跃。

为了实现这一设计,研究团队采用了先进的技术手段。他们首先通过数值模拟和解析推导进行初步设计,随后利用光线追踪技术进行优化,确保透镜的性能符合预期。在制造过程中,他们采用了激光直接写入技术来精确控制场孔径,并使用电子束光刻技术来图形化超表面,这些高精度的工艺保证了透镜的高性能。

为了验证透镜的实际效果,研究人员进行了详细的测试。他们通过测量点扩散函数(PSF)来评估透镜的聚焦质量,并通过计算Strehl比和调制传递函数(MTF)来量化成像质量。结果显示,复合超透镜的成像质量与设计预期高度一致,展示了良好的制造保真度和衍射限制性能。

此外,研究团队还通过记录图像高度与入射角的关系来评估光学畸变。他们发现,复合超透镜的图像高度与入射角之间呈现出线性关系,这完全符合他们的设计目标,也验证了该透镜在控制畸变方面的卓越表现。

为了直观展示复合超透镜的成像能力,研究人员使用定制的成像系统拍摄了圆柱形全景目标的图像。与单线态超透镜相比,复合超透镜捕获的图像畸变极小,成像效果更为真实自然。

这项研究不仅为光学设计提供了新的思路和方法,也为消费电子、汽车传感、医学成像以及机器视觉等领域带来了潜在的变革。复合超构透镜的设计原理和制造技术有望推动这些领域向更高性能、更低畸变的方向发展,为未来的光学应用开辟更加广阔的空间。

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