超材料新设计：微型多色透镜助力手机无人机摄像头升级

便携式光学设备即将迎来一场革新——由德国耶拿大学主导的研究团队开发出一种新型多层金属透镜，可同时聚焦多波长非偏振光，为手机摄像头、无人机光学系统等小型设备提供高性能解决方案。这项突破性成果发表于《Optics Express》，其核心在于通过超材料层设计克服了传统金属透镜的物理限制。

传统金属透镜虽具备超薄特性（厚度仅为发丝的几分之一），但其单层结构面临根本性矛盾：若要实现短焦距，必须牺牲直径或数值孔径。研究团队第一作者约书亚·乔丹指出，单层超表面的最大群延迟导致数值孔径、直径和带宽的乘积存在理论上限，“当需要覆盖可见光到近红外的波长范围时，单层设计要么直径过小失去实用价值，要么聚焦能力极弱”。

突破点在于转向多层架构。研究团队采用基于形状优化的逆向设计算法，引导软件筛选能在特定波长下同时激发电偶极子和磁偶极子共振的超表面结构。通过优化，开发出圆角方形、四叶草、螺旋桨等形状的超材料单元，其高度为300纳米、宽度1000纳米，可实现0至2π的完整相位梯度。这种设计不仅对偏振不敏感，还显著提升了制造容差——每层超材料可独立加工后组装，大幅降低工艺难度。

多层结构虽最多支持五种波长的同步聚焦（受限于长波共振与短波衍射的平衡），但其聚光性能已能满足便携式成像系统的核心需求。乔丹强调，该金属透镜在保持极小体积和重量的同时，可生成传统透镜的环形聚焦图案，理论上还能通过调整超材料单元生成任意聚焦形态。这种特性使其成为无人机光学载荷、地球观测卫星等对空间和重量敏感场景的理想选择。

来源：科学笔记
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