基于矢量广义斯涅尔定律的可微分光线追踪设计大孔径可见光消色差混合超透镜

为解决单层超透镜在宽可见光谱带大孔径应用中难以实现高数值孔径(NA)的物理限制问题，研究人员创新性地提出将超透镜与折射透镜结合的混合系统。通过推导矢量广义斯涅尔定律(Vectorial Generalized Snell's Law)，建立可微分光线追踪优化框架，联合优化超透镜相位分布与折射透镜参数，最终实现420–680 nm宽光谱范围内8 mm孔径、NA 0.32的消色差性能。相较单层非球面折射透镜，该设计色差降低83%，为计算成像领域提供高质量全彩成像解决方案。

　　

传统单层超表面透镜(metalens)受限于物理规律，难以在宽可见光谱(420–680 nm)和大孔径(8 mm)条件下实现高数值孔径(NA 0.32)。这项研究突破性地将超透镜与折射透镜"混搭"，通过数学推导出矢量形式的广义斯涅尔定律(Vectorial Generalized Snell's Law)，构建了可微分光线追踪(differentiable ray tracing)的智能设计框架。就像给光学系统装上"智能大脑"，该算法能同步优化超透镜的纳米结构相位分布和折射透镜的曲面参数，最终使混合系统色差降低83%，媲美专业相机镜头的全彩成像质量。这项研究如同在纳米光学和传统光学之间架起"彩虹桥"，为手机摄像头、内窥镜等微型化光学设备开辟了新路径。