科学家发明比头发还小的微型新镜头，将改变手机和无人机相机

信息来源：
https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250921090853.htm

科学家们近期开发出一种新型多层超透镜，这一革命性设计可能会彻底改变手机、无人机和卫星等设备中的便携式光学器件。通过堆叠超材料层而不是依赖单层的传统光学设计，研究团队成功克服了聚焦不同波长光的基本限制，为微型化和高效的光学设备铺平了道路。

这一突破由宾夕法尼亚州立大学与德国耶拿弗里德里希席勒大学的研究人员合作完成，并在光学领域的权威期刊《Optics Express》上发表。论文的第一作者Joshua Jordaan表示，这种新设计的镜头厚度仅为头发宽度的几分之一，具有更好的聚焦能力。

解决传统光学的局限性

多层超透镜的突破使轻质、可扩展的光学器件能够比以前更有效地聚焦多个波长。图片来源：Optics Express，10.1364/OE.564328

在传统的光学设计中，使用单层透镜聚焦多个波长通常受到物理限制，无法达到理想的效果。Jordaan解释说，单层超表面在可实现的最大群延迟方面存在物理上限，“这限制了数值孔径、物理直径以及工作带宽之间的乘积。”因此，为了适应更宽的波长范围，单层透镜往往需要很小的直径，最终影响其聚焦性能。

为此，研究团队提出了多层超透镜的设计思路，通过将多层堆叠在一起，允许系统同时聚焦来自非偏振源和大直径的一系列波长。因此，团队转向基于形状优化的逆向设计，利用计算机算法指导软件搜索超材料的最佳形状，生成广泛的形状库，包括圆形、正方形、三叶草和螺旋桨等。

这种设计的优势在于，它不仅能有效地增强光学性能，还能为生产制造提供更大的公差，从而使市场规模化成为可能。

微型镜头的无穷潜力

新开发的多层超透镜能够有效聚焦来自多个波长的光线，展示出巨大的应用潜力。例如，研究人员提到，可以利用该技术创建彩色路由器，实现不同波长聚焦到不同位置的目标。这一成果不仅适用于手机摄像头，在无人机和地球观测卫星中同样能发挥巨大的作用。

这些超透镜的微小结构设计在高度和宽度上也显得极其紧凑，微小至300纳米到1000纳米的范围，使其在现代光学领域具有非凡的潜力。Jordaan表示：“我们的设计尤其适合无人机或地球观测卫星，因为我们力求将其做得尽可能小巧和轻便。”

现今，微型化光学器件在各类便携设备中的应用尤为重要，像无人机技术的提升，迫切需要更轻量、高效的成像系统。通过新型的多层超透镜，移动设备中的光学性能预计将大幅提升，满足不断增加的市场需求。

未来的展望与影响

虽然新设计的多层超透镜在产品化方面前景广阔，但研究团队也提醒相关应用仍面临一些限制。例如，虽然目前的设计能够在五种不同的波长范围内有效工作，但在更长波长的应用中仍需解决衍射问题。此外，如何实现这种高效镜头的大规模产业化仍是当前研究的一大课题。

不过，随着半导体纳米制造技术的不断进步，这种超透镜的生产和应用将变得更加简便，预计将会在未来的便携式成像技术领域带来巨大的变革。科学家们相信，随着技术的提升，超透镜将在光学设备上找到更多创新的应用，使日常设备的图像质量飞跃式提高。

此次研究不仅为便携式光学器件的发展带来了崭新思路，也为下一代光学产品的设计提供了重要的技术基础。整体而言，微型新镜头的成功开发预示着光学技术的一次重要飞跃，未来，智能手机、无人机及其他各类设备的成像将会进入一个全新的时代。