可见光与红外波段的消色差金属透镜：统一的四范式框架

一种新的平面透镜

现代相机、手机、望远镜以及 AR/VR 头显都依赖精心叠加的玻璃镜片来形成清晰且色彩准确的图像。这些镜组体积大、制造复杂，而且仍然会遇到色彩模糊的问题——红、绿、蓝光不能完全在同一点聚焦。本文综述说明了一类由平面微小图案构成的超薄“金属透镜”如何将复杂光学器件缩减为单个芯片大小的元件，同时在从可见光到红外的波段上保持各色清晰成像。

为什么色彩模糊难以解决

在任何透镜中，不同颜色的光会以不同程度偏折。传统的曲面玻璃透镜通常使蓝光聚得更近、红光聚得更远，因此工程师会组合多片玻璃以相互抵消这种效应。金属透镜则表现出相反的趋势：由于衍射效应，较长波长往往聚得比短波长更近。更困难的是，材料本身和纳米结构的精细几何形状都会影响每种颜色的传播。当你希望一个大口径、宽波段且聚焦力强的透镜工作时，这些效应会叠加，导致在尺寸、成像锐度、效率和带宽之间出现严格的权衡。

四种实现平面且色准透镜的主要策略

作者将现有所有用于“消色差”金属透镜（将多种颜色带到同一焦点）的想法归纳为四大策略。第一类，色散工程，通过精细设计纳米结构，使其对不同颜色的相位延迟抵消天然色散，通常同时调整相位与光到达时间。第二类，算法辅助设计，利用大量计算与机器学习既搜索更优的纳米结构模式，又在后期用数字方法清理图像。第三类，体系结构修改，通过改变金属透镜在更大系统中的布局来改进：使用两层平面而非单层、由许多小透镜组成的数组，或传统透镜加校正金属透镜的混合方案。第四类，波前工程，有意沿视线方向拉长焦点，使不同颜色共享一段长的“在焦区”，然后由软件在该区内进行锐化。

计算与巧妙布局的作用

由于每个纳米结构都极小且敏感，计算机上的理想设计在实际制造后常常性能下降。综述展示了反向设计算法如何从一开始就将制造规则纳入设计，如最小特征尺寸或允许的侧壁角度，以缩小这一差距。与此同时，图像处理方法将金属透镜视为可预测的编码器而非完美成像元件，之后可以解码恢复图像。经过校准的滤波器、神经网络和查找表可以去除色彩边缘、扩展景深并校正离轴模糊，而无需增加更多玻璃。双层布局、许多小透镜的阵列以及金属透镜与玻璃的混合系统进一步放宽了对单一图案面板的要求，同时仍能提供广视场和大光圈。

从微小原型到晶圆级器件

一个关键问题不仅是消色差金属透镜在原理上是否可行，还在于能否以有用的尺寸和成本进行制造。作者回顾了将透镜最大半径与其色带和聚焦强度相映射的研究，并将这些物理极限与现实制造工具联系起来。电子束写入可以绘制极细的图案，但在具有数十亿特征的厘米级口径上会变得缓慢且昂贵。相比之下，深紫外步进式光刻和纳米压印技术可以并行地对整片晶圆进行图案化，同时将对准误差和层厚变化控制到足够小以获得良好光学性能。综述认为，将中等纵横比设计、双层或混合结构与计算校正相结合，是实现大口径、宽带且高效平面透镜的最现实路线。

对未来器件的意义

作者最终得出结论：没有单一技巧能在厘米尺度上制造出从可见光到红外都完美工作的平面透镜。相反，实用的消色差金属透镜将来自共同设计：将定制纳米结构与智能算法、系统布局和可扩展制造相匹配。通过提出统一的四范式框架，作者为工程师选择适合紧凑显微镜、热摄像机、传感器和 AR/VR 头显等应用的策略组合提供了路线图。如果这些组合策略成功，未来的成像系统可能用薄如芯片的光学元件取代笨重的镜组，同时在宽波段内保持颜色聚焦。

引用: Dong, G., Yan, J. Achromatic metalens for visible and infrared band: a unified four-paradigm framework. npj Nanophoton. 3, 28 (2026). https://doi.org/10.1038/s44310-026-00127-3

关键词: 消色差金属透镜, 平面光学, 色差, 计算成像, 纳米光子学