基于4π/3相位延迟超透镜的紧凑型眼动追踪成像系统开发

针对AR眼镜中传统透镜系统体积大、重量高的问题，韩国浦项科技大学（POSTECH）Junsuk Rho团队创新性提出采用4π/3相位延迟（仅为传统设计2π的三分之二）的超透镜（metalens）方案。通过降低纳米结构高宽比至1:5，在850 nm红外波段实现120°视场角（FoV）和1.758 mm总光程（TTL）的紧凑眼动相机模块，其瞳孔追踪平均交并比（IoU）达0.97，虹膜识别准确率80%，为可穿戴设备光学系统微型化提供新范式。

　　

在虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术蓬勃发展的今天，头戴设备的舒适性与功能性始终存在矛盾。当前主流AR眼镜重量高达70-100克，远超全天佩戴舒适阈值50克，其中光学模组的体积重量是主要瓶颈。传统折射透镜系统难以兼顾大视场角（FoV）和小型化需求，而新兴的超透镜（metalens）技术——通过亚波长纳米结构调控光波的平面光学元件——虽展现出替代潜力，却因纳米结构高宽比（aspect ratio）过高（>1:10）导致良率低、成本高，阻碍商业化进程。

韩国浦项科技大学（POSTECH）Junsuk Rho团队在《Nature Communications》发表的研究中，突破性地将超透镜相位延迟从传统2π降至4π/3（两倍波长三分之二），在保持光学性能前提下将纳米结构高度从800 nm压缩至500 nm，高宽比优化至1:5。通过理论模拟验证，当超胞（supercell）中离散相位水平M=9时，即使最大累积相位差Δφ_max=4π/3，仍能通过线性相位梯度（LPG）分布抑制-1级和0级衍射噪声，维持+1级衍射效率87.2%。实验制备的氢化非晶硅（a-Si:H）超透镜在850 nm波段实现数值孔径（NA）0.35、焦距0.82 mm，其调制传递函数（MTF）曲线与衍射极限高度吻合，斜入射60°时斯特列尔比（SR）仍达0.59。

关键技术包括：1）等离子体增强化学气相沉积（PECVD）调控a-Si:H折射指数至2.58；2）电子束光刻（EBL）结合干法刻蚀制备500 nm高纳米柱；3）基于严格耦合波分析（RCWA）的相位优化算法；4）UTIRIS数据集驱动的瞳孔分割网络（SegNet）模型训练。

研究结果揭示：

设计原理

通过动量守恒方程2π/λ n_isinθ_i±2π/MP=2π/λ n_dsinθ_d证明，M=3超胞中Δφ=2π/3的线性相位梯度可维持高效衍射。电场分布模拟显示，4π/3相位延迟下相邻纳米柱直径变化率Δφ/Δw降低，使最小特征尺寸可放宽至100 nm。

与传统2π相位延迟超透镜对比

4π/3方案将聚焦效率从82.8%提升至87.2%，MTF曲线与衍射极限重合。移除直径<100 nm纳米柱的"稀疏化"设计进一步降低工艺难度，验证其对相位扰动的鲁棒性（补充材料Note 5）。

紧凑眼动成像系统演示

2.2 mm直径超透镜模块在f/2.2光圈下实现120° FoV，通过13°角偏转优化不同入射角（AOI）的相位分布重叠。实测斜入射60°时聚焦光斑半高宽（FWHM）4.1 μm，绝对效率67.92%。动态瞳孔追踪测试中，系统在遮挡、眨眼等干扰下仍保持0.97 IoU值；50例虹膜特征的浅层卷积神经网络（CNN）分类准确率达80%。

这项研究颠覆了"超透镜必须实现2π相位延迟"的传统认知，通过4π/3相位设计显著提升纳米结构的机械稳定性和可制造性。其眼动相机模块重量仅相当于传统方案的1/5，为AR眼镜全天候佩戴扫清技术障碍。未来可通过卷对板（roll-to-plate）纳米压印技术（补充材料Note 7）实现量产，推动超透镜在医疗内窥镜、车载传感等领域的商业化应用。