导读

近期，湖南大学粤港澳大湾区创新研究院宋强研究员、湖南大学机械与运载工程学院段辉高教授等研究团队与舜宇奥来光学（现歌尔奥来光学科技有限公司）合作在Light: Advanced Manufacturing发表了题为"Ultracompact Wide-FOV near-infrared camera with a wafer-level manufactured meta-aspheric lens"的研究论文，西湖大学袁鑫教授团队也对该工作做了重要贡献。

该研究提出了一种晶圆级制造的超构透镜与非球面透镜融合的折超混合透镜（Meta-Aspheric Lens, MAL），成功实现了大视场、超薄厚度与高成像质量的协同优化，为近红外成像提供了新的技术路径。该透镜在仅3.39毫米的超短总长下实现了101.5°的超宽视场，体积仅为0.02立方厘米，却拥有F/1.64的大光圈。研究团队通过将超构表面与非球面透镜一体化集成，实现了微米级对准精度的高效集成与晶圆级批量制造，为下一代智能手机和AR眼镜的紧凑化近红外成像提供了全新解决方案。

近红外成像技术正成为智能手机、AR眼镜等移动设备的核心功能。从人脸识别、眼动追踪到医疗诊断、自动驾驶，近红外光凭借其更强的穿透性和夜视能力，正在重塑我们与数字世界的交互方式。然而，传统的折射式近红外光学系统难以同时实现超宽视场（>100°）、超薄厚度（<5mm）和高成像质量，这一权衡问题长期制约了近红外模组在便携设备中的集成。

使用复杂透镜组等传统方案虽然能提升性能，但体积庞大、装配复杂。近年来，超构表面（Metasurface）光学元件以其超薄、轻量的特性为光学设计带来新思路，但单一超构透镜往往受限于数值孔径和视场角，成像性能存在物理上限。如何将超构表面与传统折射光学优势结合，并实现可规模化制造的紧凑集成，成为学界与产业界共同关注的焦点。

一、一体化架构：从"分立式"到"集成式"

传统混合透镜系统将折射透镜与超构表面作为独立元件，通过分立式设计以及机械夹具固定，体积大、对准难、稳定性差。本研究提出的MAL采用全集成架构——将非球面透镜与超构表面通过玻璃基底键合为单一光学实体，无需额外机械支撑，体积压缩至立方毫米级。

图1：MAL计算成像系统、集成式结构示意图以及实物图

这种"固态光学"设计不仅结构紧凑，更关键的是兼容晶圆级光学工艺——在8英寸晶圆上一次可批量制造数千个MAL，仅需一次切割，无需后续装配调试，为大规模商业化铺平道路。

二、设计即制造：打破"实验室-产业化"鸿沟

研究团队提出"面向制造的设计"（Design for Manufacturability）理念，将键合光学元件、超材料材料色散、工艺容差等制造约束前置到光学设计阶段。通过建立集成式设计框架与超构表面的实际色散模型，确保仿真性能与实验结果高度吻合。

图2：MAL晶圆级制造流程。包括超构表面的电子束光刻与刻蚀、非球面透镜的激光直写与纳米压印，以及最终的晶圆级键合与切割

实测结果显示，非球面透镜面形与设计值高度吻合，区间平均误差仅280纳米;超构表面纳米柱高度557纳米，接近设计值；调制传递函数（MTF）与相对照度（RI）在全视场范围内与仿真结果十分接近，证明了晶圆级制造的高一致性与高保真度。

三、性能验证：小体积，大作为

尽管体积仅为传统方案的数十分之一，MAL展现了强劲的成像性能：

分辨率：通过USAF 1951分辨率板测试，在-1组和0组均实现米歇尔对比度>0.89、CNR>3.17，远超可分辨阈值

眼动追踪：集成于AR眼镜后，可在0°-80°视角范围内清晰捕捉眼部轮廓与角膜反射光斑，精准识别注视方向

血管成像：相比可见光相机，MAL可清晰呈现手背皮下静脉分布，为医疗诊断提供新工具

图3：MAL成像应用展示。包括分辨率测试、眼动追踪、血管成像及AR眼镜集成概念验证

此外，结合深度学习算法，MAL还可实现计算超分辨率成像，进一步突破硬件物理极限。

总结与展望

这项研究通过晶圆级制造技术将超构表面与非球面透镜深度融合，实现了超宽视场、超薄厚度、高成像质量与可规模化生产的协同统一。MAL技术不仅为智能手机、AR/VR设备的小型化近红外成像提供了即时可用的解决方案，更为光学设计范式带来深刻启示：未来的光学系统将从"离散组装"走向"全固态集成"，从"实验室定制"走向"晶圆级量产"。

研究团队表示，下一步将优化工艺良率、拓展工作带宽，并探索在功能成像、血氧监测、夜视导航等更广泛领域的应用。随着神经光刻等计算制造技术的引入，MAL有望成为下一代紧凑高性能成像系统的基石技术。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2026.045