近红外（NIR）成像已成为消费电子和生物医学系统的重要组成部分，广泛应用于增强现实（AR）眼动追踪、生物特征认证以及皮下血管成像等领域。随着这些系统不断向更轻、更薄的小型化方向发展，传统折射光学正面临根本性的限制。即使是最先进的折射光学系统，也需要增加多个透镜元件来校正各种光学像差，这不可避免地增加了系统体积和组装复杂度。
超构透镜（Metalens）是由亚波长纳米结构阵列构成的超薄平面光学元件。由于能够在平面结构内精确调控光的相位、振幅和偏振态，超构透镜已成为实现微型化成像系统的重要技术路线。然而，单层超构透镜在孔径尺寸、视场角（FOV）以及像差校正能力之间存在固有的性能权衡。
解决这一问题的一种方法是将多个平面光学元件组合在一起，将光学设计负担分配到不同元件上。2016年，Arbabi等人首次证明，通过将两个超构表面（Metasurfaces）组合成双透镜结构（doublet），能够同时校正大视场单色像差，为多元件超构表面光学设计奠定了基础。在此基础上，2018年，Chen等人将球面透镜与超构表面校正器相结合，实现了近红外波段的消色差性能扩展；随后，Balli等人开发出混合式消色差超构透镜，提高了聚焦效率；Sawant等人进一步将该方案扩展至厘米级混合超构透镜，实现了色差和球差的同步校正。
然而，截至目前，尚无单一集成平台能够同时实现超过100°的大视场角（FOV）、低于5 mm的总光学长度（TTL）以及晶圆级制造能力。而这三项指标的结合，正是下一代紧凑型近红外成像模组的关键需求。近日，湖南大学和西湖大学光电研究院的研究团队报道了一种超构非球面透镜（MAL），首次同时实现了上述三项性能指标。该方案将一枚非球面折射透镜与一枚超构透镜采用晶圆级单片集成与键合，仅需一次晶圆切割，且无需后续机械对准。相关研究成果以“Ultracompact Wide-FOV near-infrared camera with a wafer-level manufactured meta-aspheric lens”为题，发表在Light: Advanced Manufacturing期刊上。
图1 晶圆级制造的超构非球面透镜及其成像系统
如图1（左）所示，研究人员首先利用激光直写和纳米压印光刻在独立晶圆上制备非球面折射透镜，然后将其与超构透镜进行微米级精密对准并完成晶圆键合。在超构表面上方设计的空气间隙能够在键合过程中有效保护纳米结构不受损伤。同时，研究团队建立了结合实验测得α-Si材料色散特性的前向模型，使光学仿真结果与实际制备结果保持高度一致。
图2 超构非球面透镜的示意图与实物展示
最终构建的超构非球面透镜成像系统（图1右）实现了101.5°超大视场角（FOV）、3.39 mm总光学长度（TTL）、F/1.64光圈、整体体积仅0.02 cm3。与此同时，该系统在整个视场范围内均保持50 lp/mm时调制传递函数（MTF）大于0.31，展现出优异的成像性能。
研究人员进一步进行了多项成像验证，包括USAF分辨率测试卡成像、多种注视角度下的眼球模型追踪、对传统可见光相机无法观察到的手背静脉进行近红外成像。此外，作者还利用MambaIR深度学习模型进行了计算超分辨率重建，并指出这是MambaIR模型首次应用于近红外成像领域 。
图3 利用超构非球面透镜进行的成像实验
未来，为进一步降低制造成本并提升生产良率，研究团队认为，需要将目前采用的电子束光刻（EBL）工艺，逐步替换为吞吐量更高的制造方法，例如深紫外（DUV）光刻或基于纳米压印的超构透镜制造工艺。此外，若能够进一步拓展该系统的工作光谱范围，将有望应用于更多近红外多光谱成像任务，例如血氧成像和夜视成像等。未来，该平台还可进一步应用于下一代AR智能眼镜中的人脸识别、虹膜识别和视线估计等功能模块，在满足超紧凑结构的同时，实现大视场近红外成像能力。
论文链接：https://doi.org/10.37188/lam.2026.045
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