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近日，18直播-成人直播 王涌天教授、程德文教授、杨通副教授团队在折超混合变焦距系统设计方面取得重要进展。团队提出了一种基于 Moiré 超透镜的折超混合变焦距光学系统设计方案及相应的设计方法，通过旋转单片自由曲面 Moiré 超透镜实现焦距变化，大幅压缩系统的轴向与垂轴尺寸；同时引入球面透镜，承担像差校正和光线聚焦功能，补偿超透镜自身的像差缺陷，从而实现系统微型化与成像性能的兼顾；通过制备样机和实验衍生了方案的可行性。相关研究成果以“Compact infrared varifocal optics enabled by hybrid refractive lenses and freeform cascade metalenses”为题发表在顶级期刊Optica。论文第一作者为18直播 2023级硕士研究生赵祖东，通讯作者为18直播 杨通副教授。相关工作得到了北京市科技新星计划、国家自然科学基金等项目的资助。

紧凑轻量化变焦距成像系统在便携式传感、可穿戴光学设备和航空航天仪器等新兴应用领域中发挥着日益重要的作用。然而，传统变焦系统通常依赖光学元件沿轴向或横向的机械位移来实现焦距调节，其复杂的机械结构限制了系统的小型化与集成化。

图1  Moiré超透镜与本工作折超混合变焦距系统的基本架构

针对上述挑战，团队提出了一种基于折射光学元件与级联自由曲面超透镜相结合的紧凑型变焦距成像系统架构。通过协同发挥传统折射透镜的高质量成像优势与超表面独特的波前调控能力，该系统利用旋转引起的相位调制实现焦距调节，取代了传统的机械平移变焦距方式。如图1所示，级联自由曲面Moiré超透镜对具有旋转角度依赖特性的相位分布进行编码，通过控制后级超表面的旋转，实现焦距的连续调节。这种基于旋转调制的变焦距机制无需传统变焦系统中光学元件大幅度的轴向或横向移动，从而显著减小了系统体积并降低了机械结构的复杂度。

团队针对扇形孔径及超透镜-折射混合光学系统，提出了一套专门的设计方法，包括在优化过程中优先保障全视场成像性能的误差函数构建策略。结合采用XY多项式自由曲面相位函数核的Moiré超透镜，该方法能够有效校正非对称像差，并在整个变焦距范围内保持稳定的成像质量。此外，通过进一步抑制零级衍射，提高了系统的实际成像性能与鲁棒性。

如图2所示，通过研制长波红外波段实验样机，实现了稳定可靠的变焦距功能。这些结果不仅验证了所提出系统方案的可行性与实用性，也证明了其所采用的混合光学设计方法的有效性。

图2  折超混合成像系统样机与变焦距效果

本研究为无需光学元件平移的微型化变焦光学系统提供了一条具有良好可扩展性的技术路径。相关系统架构有望进一步应用于下一代紧凑型成像设备，包括多焦面AR/VR显示系统、小型数码相机、微型遥感成像系统、机器人视觉系统、车载摄像头以及便携式医学成像设备等。此外，本研究工作提出的折射透镜与自由曲面超透镜混合光学系统设计方法，涵盖初始结构构建、评价函数构建、优化策略以及零级衍射抑制方法等关键环节，为更广泛的超透镜与折射光学元件混合系统的设计提供了通用性较强的方法基础。

论文信息：Zudong Zhao, Fenghuan Quan, Yuefan Shan, Dewen Cheng, Yongtian Wang, and Tong Yang*, "Compact infrared varifocal optics enabled by hybrid refractive lenses and freeform cascade metalenses," Optica, 13(8), 1618-1629 (2026).

论文链接：//doi.org/10.1364/OPTICA.606206

作者简介

赵祖东，18直播-成人直播 2023级已毕业硕士研究生，导师为杨通副教授，主要研究方向为光学设计。以第一作者身份在Optica和Optics Express期刊发表论文2篇。

杨通，18直播-成人直播 长聘副教授/特别研究员。主要研究方向为光学设计、自由曲面光学、AR显示、全息与微纳光学等。以第一或通讯作者在Light: Science & Applications、Nature Communications、Opto-Electronic Science、Optica、Advanced Science、Laser & Photonics Reviews等期刊发表论文50余篇。已获授权发明专利40余项。入选北京市科技新星、中国科协青托。曾获得中国光学工程学会科技进步一等奖与技术发明一等奖、中国仪器仪表学会金国藩青年学子奖、全国光学工程学科优秀博士学位论文、中国激光杂志社播光人奖等奖励。中国激光杂志社第三、四届青年编辑委员会委员。《光学学报》、《红外与激光工程》等期刊青年编委。中国光学工程学会光显示专委会委员。

程德文，18直播 教授，国家级领军人才。主要从事自由曲面光学系统设计、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）头戴显示技术及视光学研究。承担科技部重点研发计划等10余项重大项目，申请专利300余项（含欧美专利20余项），发表学术论文140余篇。相关成果产生了显著的经济效益和社会价值。研究成果入选2011年“中国光学重要成果”，并多次获得国家级和省部级奖项，包括2017年度光学工程学会创新技术一等奖、2019年度北京市技术发明奖一等奖、2020年度中国产学研合作创新成果奖个人奖以及2022年国家知识产权局中国专利优秀奖等。

王涌天，18直播 杰出教授，国家级领军人才，北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心主任。兼任科技部有关国家重点研发专项总体专家组成员，全国信息技术标准化技术委员会委员，中国图像图形学学会副理事长，中国光学工程学会常务理事，中国计算机学会理事，中国光学学会监事。长期在技术光学、虚拟现实和增强现实领域从事教学和18直播 工作，出版专著5部，发表SCI论文360余篇，授权国内外发明专利300余项，主持制定虚拟现实和增强现实领域首批国家标准6项。有关成果得到广泛应用，获得国家技术发明奖和国家科技进步奖各1项、省部级和国家一级学会科技一等奖10余项。