浦項科技大學（POSTECH）的一個研究團隊開發(fā)了一種新穎的多維采樣理論，以克服平面光學的局限性。他們的研究不僅揭示了傳統(tǒng)采樣理論在超表面設計中的局限性，還提出了一種創(chuàng)新的抗混疊策略，顯著提升了光學性能。相關研究成果發(fā)表在《自然·通訊》上。

平面光學是一種通過在超薄表面設計納米結構來操控納米尺度光線的尖端技術。與依賴笨重透鏡和鏡片的傳統(tǒng)光學系統(tǒng)不同，平面光學能夠實現(xiàn)超緊湊、高性能的光學器件。這項創(chuàng)新對于縮小智能手機攝像頭尺寸（減少“攝像頭凸起”）和推動增強現(xiàn)實（AR）/虛擬現(xiàn)實（VR）技術的發(fā)展尤為重要。

超表面是平面光學最具前景的應用之一，它依賴數(shù)億個納米結構來精確采樣和控制光的相位分布。這里的采樣是指將模擬光學信號轉換為離散數(shù)據(jù)點的過程，類似于人類大腦通過每秒快速捕捉多張圖像來生成連續(xù)運動感知的視覺信息處理方式。

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超透鏡中的混疊

然而，傳統(tǒng)采樣方法存在挑戰(zhàn)。當采樣率過低時，會出現(xiàn)混疊偽影，導致圖像失真和光學效率低下。一個眾所周知的例子是“馬車輪效應”，即視頻中旋轉的車輪由于幀率不足而看起來向后移動或靜止。這種混疊問題是超表面設計中的一個主要限制，顯著降低了光學效率和精度。

幾十年來，研究人員一直依賴奈奎斯特采樣定理來預測和緩解混疊問題。然而，POSTECH團隊發(fā)現(xiàn)，盡管奈奎斯特定理在數(shù)字信號處理中很有用，但它并未充分考慮超表面的光學復雜性。雖然奈奎斯特理論有效地定義了數(shù)字信號處理的頻率限制，但它無法準確預測或防止超表面中的光學失真，因為超表面必須同時考慮復雜的納米結構和光的波動特性。

為了解決這一局限性，該團隊開發(fā)了一種新的多維采樣理論，結合了超表面的二維晶格結構和光的波動特性。他們的研究首次揭示了超表面納米結構晶格與其光譜分布之間的幾何關系在決定光學性能中起著關鍵作用。通過調整晶格旋轉并集成衍射元件，團隊提出了一種抗混疊策略，最大限度地減少了噪聲并增強了對光的控制。利用這種方法，他們成功降低了從可見光到紫外波長的寬光譜范圍內的光學噪聲，并展示了在紫外波段工作的高數(shù)值孔徑（NA）超透鏡和廣角超全息圖。

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混疊超透鏡

這項研究不僅重新定義了光學超表面的理論框架，還放寬了制造限制，使高分辨率紫外和高數(shù)值孔徑超表面更加可行。

Junsuk Rho教授強調了他們發(fā)現(xiàn)的重要性：“這項研究為下一代平面光學設備（包括高數(shù)值孔徑超透鏡和廣角超全息圖）開辟了新的可能性。我們新開發(fā)的采樣理論具有高度通用性，涵蓋了從微波到極紫外的波長范圍。短波長紫外光學需要極其精確的制造，使得這一領域的研究極具挑戰(zhàn)性。然而，我們的發(fā)現(xiàn)顯著緩解了這些制造需求，為紫外超表面開辟了新的機遇。”

該研究由Rho教授（機械工程系、化學工程系、電氣工程系和融合科學技術研究生院）以及POSTECH的碩士/博士生Seokwoo Kim、Joohoon Kim、Kyungtae Kim和Minsu Jeong（機械工程系）共同領導。

相關鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-024-55095-z