近紅外（NIR）成像已成為消費電子和生物醫學系統的重要組成部分，廣泛應用于增強現實（AR）眼動追蹤、生物特征認證以及皮下血管成像等領域。隨著這些系統不斷向更輕、更薄的小型化方向發展，傳統折射光學正面臨根本性的限制。即使是最先進的折射光學系統，也需要增加多個透鏡元件來校正各種光學像差，這不可避免地增加了系統體積和組裝復雜度。
超構透鏡（Metalens）是由亞波長納米結構陣列構成的超薄平面光學元件。由于能夠在平面結構內精確調控光的相位、振幅和偏振態，超構透鏡已成為實現微型化成像系統的重要技術路線。然而，單層超構透鏡在孔徑尺寸、視場角（FOV）以及像差校正能力之間存在固有的性能權衡。
解決這一問題的一種方法是將多個平面光學元件組合在一起，將光學設計負擔分配到不同元件上。2016年，Arbabi等人首次證明，通過將兩個超構表面（Metasurfaces）組合成雙透鏡結構（doublet），能夠同時校正大視場單色像差，為多元件超構表面光學設計奠定了基礎。在此基礎上，2018年，Chen等人將球面透鏡與超構表面校正器相結合，實現了近紅外波段的消色差性能擴展；隨后，Balli等人開發出混合式消色差超構透鏡，提高了聚焦效率；Sawant等人進一步將該方案擴展至厘米級混合超構透鏡，實現了色差和球差的同步校正。
然而，截至目前，尚無單一集成平臺能夠同時實現超過100°的大視場角（FOV）、低于5 mm的總光學長度（TTL）以及晶圓級制造能力。而這三項指標的結合，正是下一代緊湊型近紅外成像模組的關鍵需求。近日，湖南大學和西湖大學光電研究院的研究團隊報道了一種超構非球面透鏡（MAL），首次同時實現了上述三項性能指標。該方案將一枚非球面折射透鏡與一枚超構透鏡采用晶圓級單片集成與鍵合，僅需一次晶圓切割，且無需后續機械對準。相關研究成果以“Ultracompact Wide-FOV near-infrared camera with a wafer-level manufactured meta-aspheric lens”為題，發表在Light: Advanced Manufacturing期刊上。
圖1 晶圓級制造的超構非球面透鏡及其成像系統
如圖1（左）所示，研究人員首先利用激光直寫和納米壓印光刻在獨立晶圓上制備非球面折射透鏡，然后將其與超構透鏡進行微米級精密對準并完成晶圓鍵合。在超構表面上方設計的空氣間隙能夠在鍵合過程中有效保護納米結構不受損傷。同時，研究團隊建立了結合實驗測得α-Si材料色散特性的前向模型，使光學仿真結果與實際制備結果保持高度一致。
圖2 超構非球面透鏡的示意圖與實物展示
最終構建的超構非球面透鏡成像系統（圖1右）實現了101.5°超大視場角（FOV）、3.39 mm總光學長度（TTL）、F/1.64光圈、整體體積僅0.02 cm3。與此同時，該系統在整個視場范圍內均保持50 lp/mm時調制傳遞函數（MTF）大于0.31，展現出優異的成像性能。
研究人員進一步進行了多項成像驗證，包括USAF分辨率測試卡成像、多種注視角度下的眼球模型追蹤、對傳統可見光相機無法觀察到的手背靜脈進行近紅外成像。此外，作者還利用MambaIR深度學習模型進行了計算超分辨率重建，并指出這是MambaIR模型首次應用于近紅外成像領域。
圖3 利用超構非球面透鏡進行的成像實驗
未來，為進一步降低制造成本并提升生產良率，研究團隊認為，需要將目前采用的電子束光刻（EBL）工藝，逐步替換為吞吐量更高的制造方法，例如深紫外（DUV）光刻或基于納米壓印的超構透鏡制造工藝。此外，若能夠進一步拓展該系統的工作光譜范圍，將有望應用于更多近紅外多光譜成像任務，例如血氧成像和夜視成像等。未來，該平臺還可進一步應用于下一代AR智能眼鏡中的人臉識別、虹膜識別和視線估計等功能模塊，在滿足超緊湊結構的同時，實現大視場近紅外成像能力。
論文鏈接：
https://doi.org/10.37188/lam.2026.045
