西安电子科技大学设计集成光瞳滤波的超构表面透镜
它具有高分辨率、高集成度、高小型化等特点
（映维网Nweon 2025年11月17日）想象一下，用普通的显微镜看东西，就像隔着一层纱窗，总有一些最微小的细节看不真切。这不是显微镜的做工不好，而是光本身有一个无法逾越的规则——衍射极限。它决定了光学系统，无论是昂贵的传统镜头还是最新的超薄镜头，都无法分辨小于半个波长（比如可见光约是200-300纳米）的物体。
但现在，西安电子科技大学团队找到了一种巧妙的办法，在这个规则的边缘“钻了一个空子”，造出了一种全新的“融合超构表面透镜”，把光斑压缩到了前所未有的小尺寸，让我们有望看得更清、看得更细。
实验结果初步证明了集成超表面透镜的超分辨性能。它具有高分辨率、高集成度、高小型化等特点，在振幅、极化、涡旋等多维信息的综合调控下，将实现更优异的超分辨率聚焦和成像性能，并有望在虚拟现实等领域得到广泛应用。
传统的相机镜头和显微镜镜头，依赖的是玻璃的曲面来弯曲光线，从而实现聚焦。镜头越复杂、功能越强，往往就越厚越重。而超构表面，则是一种完全不同的思路。它是一片比纸还薄的平板，上面布满了几十万甚至上百万个比头发丝还细小的“纳米砖”（学名叫纳米鳍）。
每一个“纳米砖”都是一个独立的光线指挥官。通过改变这些砖块的大小、形状和朝向，当光线打在上面时，研究人员就能精确控制光波的“节奏”（也就是相位）。这样一来，一块平平无奇的薄板，就能像厚厚的曲面玻璃一样，把光线完美地汇聚到一个点上。
这就是超构表面透镜，它是未来VR眼镜的希望。但是，它依然无法突破光的衍射极限。它聚成的光斑，最小也只能小到约0.61λ/NA（对于高数值孔径系统，约400多纳米），这限制了它的成像分辨率。
怎么突破？西安电子科技大学的研究团队把目光投向了光学领域一项并不新鲜的技术——光瞳滤波。
你可以这样理解：一个理想透镜汇聚的光斑，其实是一个很亮的主斑点和周围一圈较暗的“拖影”（旁瓣）组成。衍射极限决定了这个主斑点不能再小。而光瞳滤波器就像一个聪明的“光线调度员”，它放在光路中，通过巧妙地给光线“设障”或“延时”（即调制振幅或相位），让大部分光线更集中地投射到主斑点上，同时牺牲掉一部分边缘的光线。结果是，主斑点“挤”得更小了，但代价是主斑点整体会变暗一些。
这是一种典型的“牺牲亮度换取分辨率”的权衡艺术。其中，相位型光瞳滤波器因为不吸收光（只改变光的相位），能量利用率高，特别受青睐。
过去，要在系统里加入光瞳滤波器，就得在光路上额外插入一个光学元件。这会让系统变复杂、变笨重，与超构表面追求的“轻薄化”背道而驰。
西安电子科技大学的革命性创意在于：他们不做“加法”，而是做“融合”。
他们的想法是，既然超构表面的每个“纳米砖”本身就是一个相位控制器，那我们为什么不能直接在设计透镜的时候，就把光瞳滤波器的功能“编程”进去呢？于是，他们开始了“二合一”的设计：
先造一个“基准透镜”。他们用非晶硅纳米砖在二氧化硅基底上，设计了一个焦距2微米、孔径10微米的超构表面透镜。当一束633纳米的红光（右旋圆偏振）照射它时，它能在预定的位置形成一个非常完美、锐利的光斑，其半高全宽为376纳米，这已经是一个非常优秀的、接近衍射极限的表现了。
接下来，再设计一个“最优滤波器”。他们选择了一种结构最简单的三区相位滤波器——中心圆和外环相位延迟为0，中间环相位延迟为π（相当于让经过这里的光波推迟半个周期）。通过大量的计算机仿真和优化，他们找到了能让光斑主瓣压缩效果最好的环带尺寸比例。
最关键的一步是“编码”融合。到了这里，他们没有去实际加工这个滤波器。而是回过头，在之前设计好的那个“基准透镜”上动了手脚。他们按照滤波器的最佳尺寸，把透镜表面划分成三个对应的区域。然后，做了一件非常巧妙的事：将中间环区域内，所有纳米砖的旋转角度，统一额外再旋转90度。
根据几何相位原理，这一旋转，就恰好给通过中间环的光波附加了所需的π相位延迟。就这样，一个普通的超构表面透镜，被“升级”成了一个自带超分辨率滤波功能的融合透镜。所有功能，都在同一块平板上完成，没有任何多余部件。
仿真结果证明了“融合”设计的巨大成功：光斑显著变小：融合透镜产生的光斑，其半高全宽从原来的376.0纳米，压缩到了323.4纳米（约0.51倍波长）。这不仅比原来的透镜提升了约15%，更重要的是，它已经明显小于该系统的传统衍射极限（约429纳米）。
权衡在可控范围：当然，获得超分辨率是有代价的——光斑的中心亮度下降了大约一半（斯特列尔比约为0.51）。但幸运的是，恼人的“拖影”并没有明显增强，这意味着它仍然可以用于高质量的成像，只是需要更亮一点的照明来补偿亮度损失。
相关论文：Design of meta-surface lens integrated with pupil filter
展望未来，这种超分辨率融合透镜可以带来更清晰的VR/AR世界：让下一代虚拟现实和增强现实眼镜的显示效果更细腻、更逼真，彻底告别“纱窗效应”。
