通过光学“空间板”实现高空间压缩的实验演示

为什么缩小相机很重要

从智能手机到太空望远镜，大多数先进相机都面临一个顽固的问题：体积庞大。即使我们把透镜做得更薄、更平，透镜与成像传感器之间仍需要留出光传播的空隙。这种“空气间隙”对光学器件能做到多薄设置了一个硬性限制。本文的研究提出并在实验上证明了一个截然不同的想法：一种称为“空间板”的特殊平板元件，可以让光表现得像走过很长距离一样，即便它只穿过厚度仅为几微米的薄片。这项技术或能为纸片厚度的相机铺路，并使医疗成像、自动驾驶车辆和虚拟现实等领域的仪器更紧凑。

替代空隙的新方法

空间板并不像透镜那样通过弯曲光线来聚焦，而是取代了光在离开透镜后通常要穿过的一段空旷区域。当光束以一定入射角进入空间板时，它以相同的角度出射，但会发生侧向位移，这与它穿过更厚的空气层时的位移完全相同。换句话说，空间板在极薄的器件中模拟了一段很长的自由空间。将这样的薄片置于相机中透镜和像面之间，工程师可以显著地把成像焦点向前移动，从而缩短整个系统，同时保持成像尺寸（放大率）不变。

构建一个平面的距离替代物

作者使用已经支撑商业光学滤光片的技术来实现这一概念：多层薄膜。研究团队在玻璃基底上沉积交替的两种常见材料——二氧化硅玻璃和非晶硅，每层厚度仅为亚微米级。通过精心选择每层的厚度，他们塑造了器件对不同入射角光线的延迟特性。这种角度依赖的延迟导致所需的侧向位移，使得薄薄的多层堆栈表现得像更厚的自由空间区域。团队探索了两种设计策略：一种由计算机基于梯度下降优化得到，另一种基于重复微小光学腔体，类似于众所周知的法布里–珀罗（Fabry–Pérot）谐振器的原理。

在真实光束和图像中观察效应

为了证明他们的堆栈确实能压缩空间，研究者在围绕1550纳米的红外波段（一个标准电信波段）进行了多项光学实验。首先，他们把空间板放在一块更厚的玻璃上方，并以不同角度照射光束。通常，倾斜玻璃板会使光束向一个方向侧移；令人惊讶的是，多层空间板使光束向相反方向偏移。对于一种仅11.51微米厚的设计，空间板自身产生的侧向位移如此显著，以至于几乎抵消了其下方3毫米厚玻璃板产生的位移——尽管它薄约260倍。

在相机中压缩距离

团队接着研究当透镜通过空间板聚焦光线时会发生什么，模拟了一个简单的成像系统。他们追踪一束窄光束在穿过自由空间、普通玻璃，以及玻璃加空间板时最小光斑的位置。单纯的普通玻璃会像预期的那样把焦点推远，因为光在更密介质中传播。加入这种薄多层结构会逆转这一趋势，把焦点拉近透镜约半毫米。当他们拍摄玻璃上一个微小有图案的缺陷的实际图像时，带空间板的最清晰图像出现在这个较近的位置，但图像尺寸保持不变。这证实了该器件在不改变放大率的情况下缩短系统，这是普通透镜本身无法实现的。

平面光学的极限在哪里？

通过测量侧向光束位移随入射角和波长的变化，作者们量化了一个“压缩比”：该板模拟的空间比其自身厚度大多少倍。他们最好的器件有效地替代了一段比自身厚度大176倍的自由空间，这是在光学波长下迄今展示的最大此类比率，远超早期原型。不同设计在压缩强度、色带宽和可处理入射角范围之间存在权衡，但由于多层薄膜方法使用的是成熟的涂层技术，这些空间板可以为特定任务进行定制并实现量产。在近期内，它们较窄的色谱范围对已经使用单色光的系统（如LIDAR扫描仪、视网膜成像器、内窥镜和激光显示器）反而是一种优势。长期来看，改进的材料和多色设计可以帮助将超薄平面相机与紧凑光学仪器的梦想变为日常现实。

引用: Hogan, R., Mamchur, Y., Córdova-Castro, R.M. et al. Experimental demonstration of high space compression by optical spaceplates. Nat Commun 17, 3493 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71500-1

关键词: spaceplate, 平面光学, 紧凑成像, 多层薄膜, LIDAR