超透鏡是使用超表面來聚焦光線的平面透鏡。超表面是指一種厚度小于波長的人工層狀材料。超表面可實現對電磁波偏振、振幅、相位、極化方式、傳播模式等特性的靈活有效調控。

超透鏡技術為鏡頭提供了一系列新的輕量化設計選項，而且表面的平坦特性還有助于避免傳統曲面鏡頭中常見的圖像變形失真的問題。

超鏡頭的優點

大多數傳統透鏡設計使用凸面或凹面形狀來聚焦或擴展入射光束。雖然在光軸上可以實現近乎理想的聚焦，但產生的圖像可能會因穿過其他鏡頭區域的光線而失真。圖像角落的桶形和枕形畸變是最常見的。

校正鏡頭像差通常意味著創建定制鏡頭或多個光學元件，這會增加設備的重量和體積。如果設備需要改變焦距位置或平移光束，則還需要移動任何鏡頭組，這可能會導致進一步的不穩定。

與傳統透鏡設計相比，衍射透鏡具有一些優勢，因為它們也是扁平的，并且相對容易以低成本制造。然而，這些鏡頭的顯著缺點之一是存在高階衍射，從而限制了可以實現的圖像質量。相比之下，超透鏡在設計上更加靈活，并且在透射圖像中不存在更高衍射階數的相同問題。

現在正在為超透鏡創造許多新型的表面，這些表面將允許平面透鏡改變其聚焦位置，而無需物理改變光學系統中任何組件的位置。許多光學系統由于運動部件而存在不穩定問題;這限制了它們在手持設備或車載自動駕駛汽車等領域的應用。為此，超透鏡可能是一種非常方便的緊湊型解決方案。

表面結構

超透鏡有兩種主要的超表面結構，介電結構或等離子體結構。介電材料用于許多標準光學元件，還可以產生形成超表面的亞波長散射。

如果需要，介電材料用于將相位延遲引入入射光脈沖1現在有一些介電材料可用于創建無像差、衍射受限、偏振無關的聚焦，并在廣泛的帶寬范圍內工作。

在設計超透鏡時，必須考慮表面上散射點的幾何形狀。每個元單元都會影響電磁輻射的特性，必須仔細設計以避免傳統的透鏡問題。

等離子體材料有利于電磁輻射的振幅整形，可用于廣泛的波長區域。材料中的等離子體模式被明確定義以創建透鏡，但各種修改，例如添加層以過濾掉高階等離子體模式，也有助于提高最終超透鏡的效率。

已經有短波長光刻裝置利用超透鏡可實現的亞衍射極限聚焦來提高儀器的空間分辨率。然而，制造超透鏡以照亮更大區域并提高許多超透鏡光學器件的效率仍然存在一些挑戰。

超透鏡的未來

超透鏡在單個光學器件中執行復雜波前工程的潛力對于一系列應用極具吸引力。

與傳統鏡頭相比，超透鏡是設備小型化、提高光學穩定性和實現更好質量對焦的理想選擇。

然而，超透鏡的制造并非易事，因為需要高精度地設計微小結構以在超表面產生所需的行為。

經濟高效地制造超透鏡仍然是一個重大挑戰。對于適合用作超表面的新材料，仍需要進行大量研究。

盡管制造面臨挑戰，但超透鏡在過去幾年中取得了快速進展，并證明它們可用于控制光的所有基本特性。特別是亞波長結構，被譽為有可能為“工程光學2.0”帶來一場新的革命。

為寬帶應用設計多尺度結構是超透鏡需要克服的另一個關鍵挑戰。超透鏡的設計和批量制造是有問題的，因為它需要合并幾種類型的結構。然而，隨著設計原則的出現，新的工具正在出現，這意味著任何依賴集成光學器件的設備都有一個充滿希望的未來。

審核編輯 黃宇