麻省理工大学古田、胡崛隽联合2Pi公司研究人员在中国工程院院刊Engineering上发表题为“Compound Metalens Enabling Distortion-Free Imaging”（复合超透镜实现无畸变成像）的研究性文章。本研究采用双层超构表面复合超透镜架构，解决了超透镜广角成像畸变，在140°超大视场内实现畸变＜2%的衍射极限成像，把传统超透镜22%的畸变直接压到几乎“看不见”，为消费电子、车载传感、医疗成像等领域带来超薄、广角、无畸变的全新光学方案。

广角镜头的痛点：越广越歪，后期救不了

光学超透镜（Metalens）因为超薄、超轻，还能批量生产，已成为下一代成像系统的“网红选手”，在激光雷达、VR/AR眼镜、机器视觉等领域圈粉无数。

然而，它有个bug：广角必然带来畸变。传统单层超透镜在140°超广角下，桶形畸变可达到22%，画面边缘被压得扭扭歪歪。靠软件后期修？不仅算力要大幅提升，还可能让图像变糊、信噪比下降。更别提鱼眼镜头，几乎就是畸变重灾区——一直是光学设计里难啃的硬骨头。

简单来说，就是一个经典矛盾：想拍广角照片，就得忍受画面歪；想要画面端正，又得牺牲视野——广角和无畸变，自古难两全。

图1.单层与复合超透镜成像畸变对比示意图

给超透镜“组队”，双层结构解锁无畸变魔法

这项研究换了个思路：单层不行，就让双层来组队！研究提出了全新的复合超透镜（Compound Metalens）方案，其核心是双层超构表面加前置光阑的设计。这个组合给了透镜更多“自由度”，一次性解决了两个难题：一是消除球差、像散等单色像差，让成像始终保持衍射极限的清晰度；二是精准控制光线从入射到像面的关系，把畸变“按需清零”。

和传统单层透镜比，这种设计的魔力很明显。单层透镜里，畸变被像差“锁死”，无法改变，而双层透镜多了一组相位调控单元，相当于增加了一组额外调控单元，使畸变校正更加灵活。该团队直接把目标锁定为线性像高关系，这是实现无畸变成像的黄金标准。最终，他们在940nm近红外光下，将140°超广角视场的畸变从过去的22%直接压到小于2%，整整降了一个数量级，让广角也能端正如初。

图2.复合超透镜相位分布与角度响应设计图

硬核实测：140°超广角，拍啥都不歪

光说不练是假把式，这项研究直接动手把复合超透镜造了出来，并进行了全方位实测，实验结果表现出色。成像质量方面，全视场的斯特列尔比始终大于0.8，保持了妥妥的衍射极限清晰度，即使是大角度入射，焦点轮廓也几乎完全重合，边缘细节清晰、没有糊掉的情况。

在畸变控制上，复合超透镜同样表现优异：相比单层超透镜下MIT logo被严重压缩、角度刻度明显变形的情况，新设计让logo端正、刻度均匀，桶形畸变几乎消失。实测数据表明，全视场畸变始终低于2%，在绝大多数场景下几乎可以忽略不计。

工艺上也非常可靠。这项研究采用电子束光刻和反应离子刻蚀制作非晶硅纳米柱，即使键合对准误差在±10μm范围内，也不会影响成像效果。整个透镜依旧保持平面超薄，没有传统玻璃透镜的厚重感。

图3.复合超透镜光学表征结果

不止无畸变：还能定制“任意畸变”，适配多种场景

这项研究的重要特点在于，不只是做出了“无畸变”透镜，而是实现了畸变按需定制。只要调整像高函数，透镜就能实现不同形式的畸变设计：在消费电子领域，它可以做到零畸变，有望减少全景照片中的后期畸变校正；在车载或机器视觉中，可以设计特定畸变来补偿测距和识别精度；在近眼显示里，它能保证投影画面不扭曲，让观看体验更加舒适。

不仅如此，这项研究还顺带做出了近远心无畸变超透镜，可以更好地适配CMOS图像传感器，解决微透镜对入射角度苛刻要求的问题。

图4.无畸变远心构型复合超透镜设计

下一代光学革命：超薄无畸变，从实验室走向应用

这项研究展示了超构光学在实用化方向上的重要进展。

首先，解决了超透镜设计中的关键问题，实现广角无畸变；其次，架构通用可扩展，兼容各种偏振复用、宽带消色差功能；最后，应用场景十分广泛，比如手机、激光雷达、VR/AR、医疗内窥镜、工业检测……全都能用。

过去，超透镜轻薄却畸变严重；现在，双层复合透镜既轻薄、又广角、还无畸变，进一步增强了超透镜在应用场景中的竞争力。

可以预见，不久的将来，我们的手机更薄、全景照片更直、车载感知更准、VR画面更加自然——背后可能都有这片无畸变复合超透镜的功劳。（来源：EngineeringJournals微信公众号）

相关论文信息：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809924005630