本文针对衍射型平面光学器件长期存在的 大口径与宽光谱成像不可兼得 的核心矛盾，提出了一种 端到端协同设计范式 ，成功实现了 厘米级孔径（1 cm） 、 f/2 焦距的可见光宽带（450–650 nm）超构光学成像系统。通过 光学设计与计算重建的深度耦合 ，系统性地克服了传统衍射器件的色差瓶颈，在保持 微米级厚度（800 nm） 的同时，达到与商用折射透镜 相当甚至更优的成像性能 。以下是关键创新与成果的凝练：
核心科学突破
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色差抑制机制革新
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提出 扩展景深（EDOF）设计 ，通过优化纳米散射体相位分布，使宽光谱（1000波长采样）能量在传感器平面高效聚焦
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结合 概率扩散模型驱动 的计算重建，有效补偿PSF横向展宽，实现全波段平均MTF对比度 >30% （0–70 lp/mm）
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验证了 单层超构光学 在10°以上大视场角的成像优势，突破传统折射透镜的视场-分辨率权衡
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设计方法学创新
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开发 旋转对称成像模型 ，将二维波传播简化为计算高效的一维系统，支持 5 cm级大口径超透镜快速优化 （1 cm设计耗时仅1小时）
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采用 逐像素独立优化策略 ，允许纳米天线结构自由变化，避免多项式基函数对色差校正的限制
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系统级性能验证
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计算重建后成像质量 接近单折射透镜水平 （MTF对比度达其60%）
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动态场景捕获能力 超越折射系统 ，支持 毫秒级曝光 的视频速率成像
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搭建 同轴双孔径比对平台 ，在同传感器条件下证明：
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实现 30°对角线视场 下全彩环境光成像，并通过 扩散神经网络 将分辨率提升至 100 lp/mm
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关键技术指标
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工程化价值
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制造兼容性
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采用 半导体标准工艺 （PECVD沉积、EBL光刻、ICP-RIE刻蚀），与晶圆厂产线无缝衔接
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验证 3D打印集成方案 ，实现超构光学与商用相机（如ZWO ASI183MC Pro）的快速适配
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应用场景拓展
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医疗影像 ：内窥镜微型化（厚度<1 mm）与高分辨率宽带成像兼容
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消费电子 ：消除手机摄像头模组凸起，推动超薄化设计
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航空航天 ：轻量化（重量降低90%）宽带光学载荷，适配低功耗卫星平台
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范式颠覆性意义
本研究通过 物理设计与算法补偿的协同创新 ，彻底挑战了学界对超构光学的三大传统认知：
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“大口径必伴随严重色差” → 通过EDOF设计与波长密集采样实现宽带像差抑制
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“超构光学依赖小孔径/低NA” → 验证1 cm/f2系统在30°视场下的实用性
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“计算重建仅能补偿固定像差” → 开发可学习后端（扩散模型），动态适配复杂场景
此项工作为 下一代平面光学系统 奠定了理论与技术基础，标志着纳米光子学从 原理验证 向 实用化集成 的关键跨越。
论文摘要
平面光学器件作为替代和增强传统折射光学系统的新颖成像与传感实现方案备受关注。然而，色差问题从根本上制约着衍射型平面光学器件的性能。因此，在快速f数与大孔径平面光学架构中，真正的宽带高质量成像始终未能实现。本研究通过突破固有光谱带宽限制，采用与计算重建协同设计的平面超构光学元件，首次在可见光波段实现了宽带成像。我们推导出宽带1厘米孔径f/2平面光学系统的必要条件，该系统在可见光波段具备30°对角线视场，且在100线对/毫米空间频率下系统平均MTF对比度≥20%（对于<70线对/毫米空间频率，对比度>30%）。最终，我们构建了同轴双孔径系统，利用基于成对捕获图像数据的深度学习重建方法对宽带成像超构光学元件进行联合优化。本研究从根本上挑战了”单一大孔径超构光学元件无法获取高质量全彩图像”的传统认知。
图文速览
b. 宽带性能通过两步优化实现：首先设计超构光学元件使其在密集采样波长下呈现最大聚焦光强（图中所示为优化组内三个波长的轴向光强分布）；随后将该相位分布作为端到端计算成像优化的初始条件。
c. 1厘米孔径超构光学元件在真实场景中的成像演示，展示其直接透镜效应。
d. 同孔径/f数超构光学元件与折射透镜的并行对比。
e. 通过3D打印支架将1厘米孔径宽带超构光学元件与相机集成。
f. 超构光学元件中心的光学显微图像。
g,h. 散射体的扫描电子显微镜（SEM）图像：g为俯视图，h为30°斜视图。
i,j. 宽带超构光学元件与多级衍射器件的性能对比：i展示孔径尺寸比较，j展示菲涅耳数对比。
a. 不同入射角(aoi)下测量光学元件点扩散函数(PSF)的光路示意图。平凸透镜(b)与宽带端到端超构光学元件(c)在0°、5°、10°和15°入射角下的PSF测量结果对比，比例尺分别为：0°和5°对应40微米，10°和15°对应200微米。
d. 测量不同波长下光学元件对比度的光路示意图。e. 端到端设计宽带超构光学元件在580纳米波长下捕获的USAF 1951分辨率靶标第5、6、7组元件的20倍放大原始图像。f. 同一图像经计算重建后的效果。
g. 双曲面透镜(红色菱形)、折射透镜(蓝色方框)和端到端设计超构光学元件(绿色星形)在解卷积前后的MTF线对对比度增强示例，虚线表示处理前，实线表示处理后，误差条代表平均强度的标准偏差。
h. 解卷积前(左列)、后(中列)获得的线对对比度及相对差异(右列)对比：从上至下分别为折射透镜、双曲面超透镜和端到端宽带超构光学元件。i. 折射透镜与宽带超构光学元件在测量光谱范围内的平均线对对比度对比。
（第一行展示）一组图像通过OLED屏幕投射后，经不同光学元件采集并重建的结果。为在无学习先验条件下对比设计性能，本研究采用维纳滤波作为物理启发的逆滤波方法。从左至右各列分别对应：（a）真实场景，（b）折射透镜的计算重建图像，（c）双曲面超透镜重建图像，（d）端到端设计超构光学元件重建图像。
（细节对比展示）真实场景局部放大图（e）与折射透镜（f）、端到端超构光学元件（g）的成像细节对比。（h）为真实场景宽带成像实验布置（非屏幕捕捉）。（i）和（j）分别展示超构光学元件与折射透镜对该场景的捕获效果，其中中心区域（绿色框）和离轴区域（蓝色框）经放大以突显细节差异。
（动态场景捕获）k系列帧展示人物在场景（h）前的跳跃动作，l组呈现硬币翻转过程，m组记录日光环境下人物拍打彩色皮球的连续画面。
b. 成像效果对比（从左至右）：复合折射透镜、宽带超构光学元件+基于物理的逆滤波器、宽带超构光学元件+学习后端。
c. 图中标定区域的放大细节对比。
文献来源：Fröch, J.E., Chakravarthula, P., Sun, J. et al. Beating spectral bandwidth limits for large aperture broadband nano-optics. Nat Commun 16, 3025 (2025).
