Bandwidth bounds for wide-field-of-view dispersion-engineered achromatic metalenses
具有宽视场（FOV）的光学系统对于诸如高性能成像、光学投影、增强/虚拟现实和小型化医学成像工具等许多应用至关重要。通常，具有宽FOV的无像差成像通过堆叠多个折射透镜（如在“鱼眼”透镜中）来实现，从而增加光学系统的尺寸和重量。被设计为具有宽FOV的单超透镜具有替代这些庞大成像系统的潜力，并且此外，它们可以被色散设计用于光谱宽带操作。在本文中，我们推导出色散工程宽视场消色差超透镜的光谱带宽的基本限制。我们表明，对于具有相对较大数值孔径（NA）的超透镜，最大可实现带宽和视场之间存在权衡;然而，有趣的是，带宽减少在超出特定视场时饱和，该视场取决于超透镜的NA。这些发现可能为未来宽视场消色差平板透镜的设计提供重要的信息和见解。
2022-04-19 physics.optics
Broadband Polarization-Independent Achromatic Metalenses with Unintuitively-Designed Random-Shaped Meta-Atoms
超表面透镜（Metasurface lenses），即超透镜（metalenses），是能够操纵入射光的性质并向输出赋予透镜状波前的非平面纳米结构。虽然它们在未来的光学小型化方面表现出了很好的潜力，但由于其衍射性质而继承的色差困扰着它们在许多实际应用中。目前用于创建消色差超透镜的解决方案通常需要搜索大量的超原子以找到不仅满足相位而且满足相位色散要求的设计，这导致密集的设计工作。此外，大多数设计都是基于设计者的直觉和经验驱动的规则形状的天线，因此只能覆盖有限的设计空间。在这里，我们提出了一种逆设计方法，有效地产生元原子与宽带消色差超透镜所需的不直观的几何形状。我们限制生成的形状，以保持四重反射对称，使所得的超透镜是偏振不敏感的。此外，通过我们的方法生成的亚原子具有继承性的圆形边缘和角落，这使得它们对纳米制造友好。我们的实验表征表明，我们的超透镜在近红外区465 nm的宽带宽范围内表现出优异的性能。我们的方法提供了一种快速有效的方法来设计高性能的消色差超透镜，并为其他超光子器件的非直观设计提供了新的见解。
2021-03-19 physics.optics
Phase and dispersion engineering of metalenses: broadband achromatic focusing and imaging in the visible
超颖表面有可能使任何光学元件的性能得到改善和提高，其应用范围涵盖电信、计算和可穿戴光学器件。然而，在连续、宽波长范围内保持功能的能力对于它们的广泛采用至关重要。到目前为止，实现这一点的努力已经被限制在反射配置或在可见光以外的波长处的操作。在这里，我们表明，通过明智地选择纳米结构，可以独立地控制相位和群延迟，导致宽带透射消色差超透镜和超透镜在整个可见光谱的可调色散。我们展示了衍射限制的宽带聚焦和消色差成像，使用超透镜在470 nm至670 nm的波长范围内，在200 nm的带宽范围内焦距变化仅为百分之几。该方法仅需要厚度在波长尺度上的单层超颖表面，并且不涉及空间复用或级联。
2017-11-26 physics.optics
A centimeter-scale achromatic hybrid metalens with polarization-insensitivity in the visible
针对超构透镜在直径、数值孔径和工作波段间的折中限制，提出一种工作在440-700 nm波段的厘米尺度超构表面-折射混合消色差透镜，实现了81%的色差抑制与偏振不敏感，并验证了其宽带成像能力。
2022-10-31 physics.optics
High-fidelity achromatic metalens imaging via deep neural network
提出一种基于深度学习的单超构透镜成像系统，通过计算重建红绿蓝通道消除色差并提升分辨率，无需复杂工程即可实现高保真消色差成像。
2023-08-01 physics.optics
A broadband achromatic polarization-insensitive metalens consisting of anisotropic nanostructures
由于对紧凑和可穿戴光学设备的需求不断增加，超表面已经引起了广泛的关注。对于许多应用，偏振不敏感的超颖表面是非常理想的，并且似乎将其组成元素的选择限制在各向同性纳米结构中。这极大地限制了在设计每个纳米结构中可用的几何参数的程度。在这里，我们展示了一个偏振不敏感的超透镜，使用其他各向异性的纳米鳍，提供额外的控制输出光的色散和相位。因此，我们可以使超透镜在从波长460 nm到700 nm的几乎整个可见光谱上是消色差和偏振不敏感的，同时保持衍射限制的性能。超透镜仅由单层TiO 2纳米鳍组成，并且具有0.2的数值孔径和26.4 μ m的直径。我们的偏振不敏感设计的通用性允许它在大量其他元表面设备中实现，其应用范围从成像到虚拟/增强现实。
2018-10-11 physics.optics
A polarization-Insensitive Broadband Achromatic Metalens with High Efficiency in Ultraviolet-C band
National Cheng Kung University（国立成功大学）
本研究提出一种在紫外C波段工作且偏振无关的高效率宽频带非色散金属透镜，实现了75%的平均聚焦效率。
2025-12-28 physics.optics
Single-layer silicon metalens for broadband achromatic focusing and wide field of view
本文提出基于二次相位与色散工程、仅用传播相位的单层硅超透镜，在近红外实现86°宽视场、低色差和更高聚焦效率。
2025-07-22 physics.optics
Nature Inspired Design Methodology for a Wide Field of View Achromatic Metalens
受人类视觉系统启发，提出一种同时具备宽视场和消色差特性的超构透镜综合设计方法，通过优化光阑位置和校正横向色差，有效提升了近红外波段的宽带成像性能。
2025-02-03 physics.optics
Hyper Resolute Ultra thin Low Cost All-Dielectric Broadband Achromatic Metalenses
Metalenses为实现高性能、低重量、扁平和可折叠的光学元件提供了突破性的机会，这些光学元件大大减小了成像系统的尺寸和复杂性。今天，超透镜设计的主要挑战仍然是实现理想地在单个焦距处聚焦宽波长光谱的消色差光学元件。在这里，我们提出了一种快速有效的方法来设计和制造极薄的全介质超透镜，最佳地解决消色差问题的机器学习代码。制造的使能技术是最近开发的超分辨双光子激光直写光刻设备。所制造的超透镜，基于完全平坦的设计，显示出有趣的光学特性。总的来说，消色差性能，1.14 mm的焦距，数百微米的焦深和只有几个纳米的厚度允许考虑在一个全新的角度设计新颖和有效的成像系统。
2020-08-07 physics.app-ph physics.optics
Achromatic diffractive lens limits
近年来，已经有许多关于消色差超透镜和衍射透镜的报道。然而，这种消色差平面透镜的实际应用很少（如果有的话）被证明，这引起了关于这些透镜为涉及宽带照明的真实世界情况提供解决方案的潜力的问题。最近的一篇论文对消色差超透镜的性能进行了限制。然而，这个极限对于衍射透镜也是有效的吗？未必如此。本文推导了消色差衍射透镜的性能极限。特别是，我们表明，消色差衍射透镜可以覆盖很宽的光谱范围内，仅限于由制造限制相关的功能深度和尺寸所造成的效率损失。另一方面，我们发现消色差衍射透镜只能在很低的菲涅耳数下提供近衍射极限的性能，即它们不能同时提供大的聚焦能力和宽带响应。然后，我们继续比较消色差超透镜和衍射透镜的限制，试图了解不同类型的平面透镜的潜力。我们的研究结果可能为更好地评估平面透镜的性能，了解它们的能力和局限性，以及探索新的设计概念和应用奠定了基础。
2020-09-13 physics.optics
Design and Analysis of Extended Depth of Focus Metalenses for Achromatic Computational Imaging
超表面光学器件已经展示出用于以超紧凑和轻质形状因子实现传统光学部件的巨大潜力。然而，超表面透镜，也称为超透镜，遭受严重的色差，对其实际应用造成严重限制。用于通过色散工程来规避这种像差的现有方法限于小孔径，并且通常需要具有小特征尺寸的每个单位单元的多个散射体。在这里，我们提出了一种替代技术，以减轻色差和展示高品质，全彩色成像使用扩展焦深（EDOF）超透镜和计算重建。以前的EDOF超透镜依赖于立方相位掩模，其在图像中引起非对称伪影，而在这里，我们演示了对称相位掩模的使用，其可以改善随后的图像质量，包括双折射非球面掩模和移位轴棱锥掩模。我们的工作将激发色散工程之外的消色差超透镜的进一步发展，并为混合光学-数字超表面系统开辟新的研究途径。
2020-03-21 eess.IV physics.optics
How good is your metalens? Experimental verification of metalens performance criterion
提出了一种用于评价总体超透镜性能的度量。从理论和实验两个方面对超透镜的最佳工作光谱范围进行了研究。这个度量是相当普遍的，可以应用于未来的超透镜，特别是消色差超透镜的设计和评估。
2020-02-18 physics.optics
High-efficiency broadband achromatic metalens in the visible
本文提出利用同偏振与交叉偏振分量及粒子群优化设计偏振无关的可见光宽带消色差超透镜，实现低焦距偏差和80.5%平均聚焦效率。
2024-07-27 physics.app-ph physics.optics
Centimeter-Scale Achromatic Hybrid Metalens Design: A New Paradigm Based on Differentiable Ray Tracing in the Visible Spectrum
本文提出基于可微光线追踪的混合超透镜设计新范式，通过联合优化超透镜相位与折射透镜参数，在440-700 nm可见光谱范围内实现1 cm孔径、f/1.4的消色差性能，并可无缝集成到可微计算成像系统中。
2024-04-04 physics.app-ph physics.optics
Achromatic varifocal metalens for the visible spectrum
超表面光学器件提供了传统折射透镜的超薄替代品。目前的挑战是实现在可见光谱范围内表现出可调光学特性和消色差行为的超颖表面。在这里，我们报告的设计，制造和表征的metasurface透镜（“metalenses”），使用不对称的二氧化钛纳米结构诱导偏振相关的光学响应。通过旋转线性偏振输入光的偏振，40微米直径的超透镜的焦距从220微米调谐到550微米，具有接近衍射极限的性能。我们表明，赋予入射光的波长依赖性偏振旋转，使消色差的可见光谱，483-620 nm的宽带聚焦。我们使用这个属性，以证明变焦彩色成像与白光卤素光源。可调谐消色差超透镜可用于成像和显示中的应用。
2019-03-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Aperiodic metalenses with identical nanocylinders: positional phase control and passive chromatic aberration suppression
Universidad Autonoma de Zacatecas（萨卡特卡斯自治大学）
通过仅调节纳米柱间距而非几何尺寸，实现相位解耦，提出非周期超透镜架构，在可见光波段实现近消色差聚焦，纵向色差降低42%-66%。
2026-10-26 physics.optics
Simultaneous achromatic and varifocal imaging with quartic metasurfaces in the visible
成像系统的两个关键指标是其放大率和光学带宽。虽然高质量的成像系统今天通过光学变焦实现了跨越整个可见光谱的带宽和放大率的大变化，但这些通常需要具有不适合尺寸受限应用的笨重元件的透镜组件。Metalenses提出了一种小型化的方法，但它们的强色差和缺乏变焦消色差元件限制了它们的实用性。虽然示例性宽带消色差超透镜可经由色散工程实现，但在实践中，这些设计限于小的物理孔径，因为大面积透镜将需要具有对于制造不可行的纵横比的相位补偿散射体。然而，许多应用需要更大的面积来收集更多的光子以获得更好的信噪比，并且还必须使用非偏振光。在本文中，我们同时实现消色差操作在可见光波长和变焦控制使用偏振不敏感，混合光学数字系统与区域不受色散工程散射体。我们推导出相位方程的共轭超颖表面，产生一个集中的加速光束的彩色焦移控制和广泛的可调焦距范围为4.8毫米（667屈光度的变化）。利用这种共轭对，我们实现了一个近光谱不变的点扩散函数在可见光区。然后，我们将元表面与捕获后去卷积算法相结合，在非相干白光下成像全色图案，展示了消色差的5倍变焦范围。同时消色差和变焦超透镜可以在各种领域中应用，包括增强现实，植入式显微镜和机器视觉传感器。
2020-01-27 physics.optics
3D Printed Multilayer Structures for High Numerical Aperture Achromatic Metalenses
针对平面消色差超透镜数值孔径与带宽的权衡问题，结合拓扑优化与全波仿真逆向设计多层结构，用双光子聚合3D打印制备出可见光波段高NA、偏振不敏感的消色差超透镜，验证了其宽带成像能力。
2023-08-27 physics.app-ph physics.optics
Broadband Achromatic Metalens for the Short-Wave Infrared
School of Physics and Astronomy, University of Glasgow（格拉斯哥大学物理与天文学学院）
本文提出一种基于CaF₂基板的金属透镜，通过硅棒结构纳米单元实现宽频带色散补偿和相位调制，有效抑制色差，适用于紧凑型短波红外光学系统。
2026-04-17 physics.optics
An inverse designed achromatic flat lens operating in the ultraviolet
我们展示了一种反设计的消色差、平坦、偏振不敏感的衍射光学元件，即，多层衍射透镜（MDL），通过数值模拟在UV光的宽带范围（250 nm - 400 nm）上操作。MDL的模拟平均轴上聚焦效率被优化为高达~ 86%。我们还研究了在不同入射角的入射紫外辐射的离轴聚焦特性，使得MDL具有30度的全视场。模拟的平均离轴聚焦效率为~ 67%，据我们所知，这是迄今为止报道的任何彩色或消色差UV超透镜或衍射透镜的最高效率。所设计的MDL由氮化硅组成。本文的工作将有助于轻型和紧凑的紫外光学系统的小型化和集成化。
2020-06-28 physics.optics
Computational inverse design for ultra-compact single-piece metalenses free of chromatic and angular aberration
采用全Maxwell拓扑优化方法设计了一种单片多层超透镜，厚度约为10个波长~ $λ$，可同时聚焦于一个$60^\circ$角度范围和23%的光谱带宽，且无色差和角像差，称为“平面消色差透镜”.“在所有角度和频率下，它都能实现衍射极限聚焦（Strehl比$> 0.8$）和绝对聚焦效率$> 50$ \%。提出了二维和三维轴对称设计，并在$\sim 10^5$自由度上进行了优化。我们还展示了缩短镜头到传感器的距离，同时产生相同的图像，为更长的“虚拟”焦距和保持平面消色差。这些概念验证设计展示了通过利用亚波长设计的全波物理可以实现的超紧凑多功能性，并激发了未来多层元光学器件的设计和制造工作。
2020-10-27 physics.optics
An achromatic metafiber for focusing and imaging across the entire telecommunication range
色散工程对包括光纤器件在内的大多数现代光学系统的性能至关重要。即使用于内窥镜应用的米级单模光纤的色散可以忽略不计，位于光纤端面上用于光学聚焦和成像的光学透镜也会遭受强烈的色差。在这里，我们提出了在单模光纤端面上的3D消色差衍射超透镜的设计和纳米打印，能够在整个近红外电信波长波段范围从1.25到1.65 μ m进行消色差和偏振不敏感聚焦。这代表了商业上使用的光纤的整个单模域。3D纳米柱亚原子中的未锁定高度自由度极大地将消色差超透镜的时间带宽积的上限增加到21.34，从而导致跨越-8到14 fs的宽群延迟调制范围。此外，我们展示了使用我们的紧凑和灵活的消色差超光纤的光纤共焦成像，能够在宽带光照明下创建清晰的图像。这些结果可能会释放光纤超光学的全部潜力，广泛的应用，包括高光谱内窥镜成像，飞秒激光辅助治疗，深部组织成像，波长复用光纤通信，光纤传感和光纤激光器。
2022-01-20 physics.app-ph physics.optics
Tungsten disulfide-gold nanohole hybrid metasurfaces for nonlinear metalens in the visible region
近年来，非线性混合超颖表面成为纳米光子学和纳米技术研究中一个引人注目的新概念。它由具有固有的大非线性极化率的半导体和传统的等离子体元表面组成，为有效地产生和操纵非线性光学响应提供了机会。基于多量子阱的等离子体超颖表面在中红外波段具有很高的二次谐波转换效率。然而，它还没有在可见区域得到证明。在这里，我们提出了一种新型的非线性混合超颖表面的可见光区，它由一个单一的二硫化钨（WS 2）层和相控金纳米孔阵列。结果表明，在810 nm处，该超表面的二次谐波极化率高达~0.1 nm/V，比典型的等离子体超表面高2~3个数量级。实验上实现了焦距为30 μm、50 μm和100 μm的非线性超透镜，为基于非线性混合超表面的SH信号的产生和处理提供了直接证据。它在设计集成、超薄、紧凑、高效的非线性光学器件，如频率转换器、非线性全息术和非线性光学涡旋光束的产生等方面有着巨大的应用潜力。
2017-10-14 physics.optics
Hybrid Si-GST Polarization-Insensitive Dynamically Tunable Bifocal Metalens Operating at 1.55-$μ$m Wavelength
Bangladesh University of Engineering and Technology（孟加拉国工程与技术大学）；BRAC University（BRAC大学）；United International University（联合国际大学）
本研究提出了一种基于硅-GST纳米结构的全介质极化不敏感金属表面，实现1.55μm波长下的动态双焦点金属透镜，通过激光激发实现快速可逆相变。
2026-07-29 physics.optics
Scalably manufactured high-index atomic layer-polymer hybrid metasurfaces for high-efficiency virtual reality metaoptics in the visible
具有亚微米级厚度的Metalenses表现出优异的光调制性能，是传统大体积折射透镜的合适替代品。然而，诸如高成本、低产量和小图案化面积的制造限制阻碍了它们的大规模生产。在这里，我们展示了低成本，高吞吐量，大口径可见超透镜的大规模生产，使用氟化氩浸没式扫描仪和晶圆级纳米压印光刻。一旦一个12英寸的主印章被压印，数百厘米规模的超透镜可以制造。为了增强光限制，印刷的超颖表面被薄地涂覆有高折射率膜，从而导致转换效率的急剧增加。作为概念的证明，一个具有超低厚度的虚拟现实设备的原型被证明与制造的超透镜。
2022-08-26 physics.app-ph physics.optics
Polarization-insensitive dual-wavelength dispersion tunable metalens achieved by global modulation method
本文提出基于PB相位全局调制方法设计偏振不敏感的双波长色散可调超透镜，仅需优化两个交叉纳米鳍结构，用于SF$_6$泄漏热成像检测。
2023-08-05 physics.app-ph physics.optics
On design of hybrid diffractive optics for achromatic extended depth-of-field (EDoF) RGB imaging
混合成像系统是折射透镜和作为衍射光学元件（DOE）的多级相位掩模（MPM）的同时物理布置。混合设置的有利特性是改进的扩展景深（EDoF）成像和低色差。我们建立了一个完全可微的图像形成模型，以使用神经网络技术来优化成像。在第一阶段，设计框架依赖于基于模型的方法与数值模拟和端到端的MPM和成像算法的联合优化。在第二阶段中，MPM被固定为在第一阶段中发现的，并且使用基于CNN学习的方法通过由空间光调制器实现的MPM来实验性地优化图像处理。本文着重分析了不同的基本光学参数：光圈尺寸、镜头焦距、MPM与传感器之间的距离对成像精度和质量的影响，为设计提供了依据。我们指出，不同的光圈大小，镜头焦距，MPM和传感器之间的距离是第一次考虑端到端的EDOF优化。我们在数值上和实验上比较了可见光波长间隔[400-700]nm和以下EDOF范围的设计：[0.5-100]m用于模拟，[0.5-1.9]m用于实验测试。这项研究涉及的应用程序的混合光学的紧凑型相机的光圈[5-9]毫米和之间的距离MPM和传感器[3-10]毫米。
2022-03-31 physics.comp-ph physics.optics
Power-Balanced Hybrid Optics Boosted Design for Achromatic Extended-Depth-of-Field Imaging via Optimized Mixed OTF
本文介绍的功率平衡混合光学成像系统是衍射计算相机的一种特殊设计，它采用折射透镜和多级相位掩模（MPM）成像。该系统提供了一个长的焦深与低色差由于MPM和高能量光集中由于折射透镜。我们引入了透镜和MPM之间的光功率平衡的概念，该概念控制每个元件对入射光的调制的贡献。我们的MPM设计的其他独特功能是包括MPM的形状的数量的水平和菲涅尔阶（厚度）使用平滑函数的量化。为了优化光学功率平衡以及MPM，我们建立了一个完全可微的图像形成模型，用于使用神经网络技术联合优化拟议相机的光学和成像参数。此外，我们优化了一个单一的维纳式光学传递函数（OTF）的深度不变重建清晰的图像。在可见光波长范围（400-700）nm和景深范围（0.5- $\infty$ m的数值计算和0.5- 2 m的实验测量）内，我们对所设计的系统与相应的无透镜和只有透镜的光学系统进行了数值计算和实验比较。所获得的结果表明，所提出的系统配备了最佳的OTF克服了其同行（即使当他们使用优化的OTF）在离焦距离的重建质量。仿真结果还表明，优化的光功率平衡，菲涅尔阶数，和水平参数的数量是必不可少的系统性能实现高达5dB的PSNR的改善使用优化的OTF相比，其对应的无透镜设置。
2021-07-01 eess.IV physics.optics
Hybrid Diffractive Optics Design via Hardware-in-the-Loop Methodology for Achromatic Extended-Depth-of-Field Imaging
通过结合计算成像的数字可微模型对衍射光学元件（DOE）轮廓进行端到端优化，由于所得到的物理设置的紧凑性，在新兴应用中获得了越来越多的关注。尽管最近的工作已经显示出这种方法设计光学器件的潜力，但其在物理设置中的性能仍然受到DOE的制造伪影、模拟和所得实验点扩散函数之间的失配以及校准误差的限制和影响。此外，有效设计DOE的数字可微模型的计算负担正在增加，从而限制了可以设计的DOE的大小。为了克服上述局限性，本文提出并研制了一种采用纯相位空间光调制器（SLM）作为编码DOE的宽带成像系统。SLM相位图案和图像重建算法的协同设计是按照端到端的策略产生的，使用配备有定量和定性损失函数的卷积神经网络进行优化。成像系统采用SLM作为DOE和折射透镜的混合光学系统。SLM相位图案通过应用硬件在环技术进行优化，这有助于消除成像的数值建模和物理现实之间的不匹配，因为光传播不是数值建模的，而是物理完成的。在我们的实验中，混合光学实现的SLM相位图案的光学投影在一个透镜平面上的深度范围为0.4- 1.9米。与索尼A7 III和iPhone Xs Max相机等复合多镜头光学器件的比较表明，该系统在全聚焦清晰成像方面具有先进性。
2022-03-30 eess.IV physics.comp-ph physics.optics
