超紧凑的光学设计增强了虚拟和增强现实设备相机

超紧凑的光学设计增强了虚拟和增强现实设备相机

首尔国立大学工程学院研究团队近日在《科学进展》杂志上发表了一项突破性研究成果，他们成功研发出一种基于"超表面"技术的新型超薄相机设计。这种相机厚度仅为0.7毫米，却能保持高质量的成像效果，为VR/AR设备、智能手机等小型化电子设备带来了革命性的技术突破。

下一代超薄相机的原理图，利用超表面（一种纳米光学器件）来确保光路：通过在玻璃基板上水平对齐超表面，光在基板内反射多次，以折叠的方式确保空间效率高的光路。学分：首尔大学工学院

首尔国立大学工程学院的研究团队为摄影技术带来了革命性的突破。他们成功研发出一种创新的光学设计技术，利用名为“超表面”（metasurfaces）的新一代纳米光学元件，极大地缩减了相机的体积，这一成果近日在《科学进展》杂志上发布，引起了广泛关注。

想象一下，传统的相机内部通常由多个厚重的玻璃镜头层层堆叠而成，这些镜头通过折射光线来捕捉清晰的图像。虽然这种设计能够确保图像的高品质，但镜头本身的厚度以及它们之间的空间需求，使得相机体积庞大，不便携带，特别是在追求小型化、轻量化的现代电子设备中，如虚拟现实（VR）、增强现实（AR）设备、智能手机、内窥镜乃至无人机等领域，这一局限性尤为明显。

为了克服这一难题，研究人员另辟蹊径，引入了超表面技术。超表面，这种神奇的纳米光学器件，能够在极小的尺度上（几百纳米，相当于头发丝直径的几千分之一）精确调控光的强度、相位和偏振，就像是微观世界里的“光导演”。它们由排列有序的纳米结构组成，这些结构的尺寸小于光的波长，因此能够以前所未有的精度操控光线。

在这项研究中，科研人员巧妙地将超表面布置在玻璃基板上，通过精心设计，让光线在玻璃内部以折叠的方式反射和行进。这样一来，原本需要多个厚重镜头才能完成的任务，现在通过一个厚度仅为0.7毫米的超薄透镜系统就能实现，这一厚度远低于传统的折射透镜系统。

具体来说，研究团队针对特定波长（如852纳米）优化了超表面的设计，并在玻璃基板上水平排列了多层这样的超表面。当光线进入这个系统时，它会在超表面之间多次反射，就像是在一个精心设计的迷宫中穿梭，最终以一种高效且紧凑的方式到达图像传感器，完成图像的捕捉。

这种创新的相机设计不仅极大地减小了体积，还为各种小型化设备提供了高质量的成像解决方案。比如，未来的智能手机可能会配备更加小巧却功能强大的摄像头，而VR/AR设备也能因此变得更加轻便，提升用户的佩戴舒适度。此外，在内窥镜检查或无人机侦察等领域，这种超薄相机系统也将发挥巨大的作用，使得操作更加灵活便捷。

（左）传统智能手机镜头模组与开发的超表面镜头模组的厚度比较。（中）超表面纳米加工的显微图像。（右）构成超表面的纳米结构图像。来源：Science Advances

一项来自首尔国立大学工程学院的研究，正引领着相机技术进入一个全新的时代。这项研究的核心在于，它成功克服了传统透镜模块的物理局限，同时实现了图像质量的显著提升。具体而言，该系统在仅0.7毫米的微小体积内，提供了10度的广阔视野，并且在f/4光圈和852纳米波长条件下，能够捕捉到接近衍射极限的高清图像。

正是凭借这些显著的竞争优势，研究人员所开发的小型化相机技术，有望在未来广泛应用于各类先进光学器件行业中，包括但不限于虚拟现实（VR）和增强现实（AR）设备、智能手机、医疗内窥镜以及小型无人机等。

论文的首要作者Youngjin Kim强调，通过引入纳米光学器件，他们的研究在相机厚度减少方面取得了创新性突破，这一成果具有重要意义。他进一步表示，团队将继续致力于轻薄相机的创新研究，这些相机将融合纳米级光调谐的自由度以及通过半导体工艺制造的超表面，从而在性能和工业效益上实现完美结合。

共同第一作者崔泰源则指出，他们的研究重点在于如何利用超表面更有效地利用透镜空间。他解释说，折叠透镜系统因其超薄设计而独树一帜，避免了传统系统中因多个透镜堆叠而导致的体积增大问题。因此，这一技术在设备小型化和轻量化至关重要的VR-AR行业中，将发挥至关重要的作用。

值得一提的是，这项研究是在光学工程和量子电子实验室进行的，该实验室在李炳浩教授去世后，由郑允灿教授接手领导。实验室继续致力于3D显示、全息技术和超表面的深入研究。其中，金永镇研究员将继续探索如何利用超表面克服相机等成像设备的局限性，而Taewon Choi则计划将元表面的研究扩展到VR-AR设备、相机传感器、图像传感器等多个领域，以期在未来科技发展中发挥更大的作用。