當(dāng)今世界，光學(xué)系統(tǒng)無處不在，從智能手機(jī)攝像頭到顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡，所有這些都捕獲眾多數(shù)據(jù)，從而增強(qiáng)我們的視覺感知。近年來，使透鏡和其他光學(xué)元件更薄一直是光學(xué)領(lǐng)域的一個重要目標(biāo)。例如，制造輕薄的虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實耳機(jī)或夜視鏡，將改變消費者和軍事應(yīng)用的游戲規(guī)則。因此，對光學(xué)系統(tǒng)的薄度有更好的理論理解至關(guān)重要。

在此，美國國家科學(xué)院和工程院院士，斯坦福大學(xué)David A. B. Miller教授作為唯一通訊和作者提出了一項理論研究，僅基于光學(xué)器件要執(zhí)行的功能，得出了光學(xué)系統(tǒng)最小可能厚度的定量限制。這一發(fā)現(xiàn)和其他最近的結(jié)果解決了為什么光學(xué)系統(tǒng)需要一定厚度的基本問題。

相關(guān)論文以“Why optics needs thickness”為題發(fā)表在Science。

任何光學(xué)系統(tǒng)，如虛擬現(xiàn)實耳機(jī)或智能手機(jī)相機(jī)，都由光學(xué)元件（通常是鏡頭）、光電設(shè)備（如成像傳感器或顯示器）和它們之間的空白空間的組合而成。在簡單的成像系統(tǒng)（例如人眼或相機(jī)）中，鏡頭彎曲光線，然后光線會聚在鏡頭后面的空間中，聚焦到形成圖像的電子傳感器、膠片或視網(wǎng)膜上。

通過考慮光的波動性質(zhì)，可以更好地描述這種系統(tǒng)的光學(xué)行為及其物理極限。波的物理學(xué)解釋了光擴(kuò)散的自然趨勢，特別是在障礙物周圍和通過孔徑，這種現(xiàn)象被稱為衍射，意大利物理學(xué)家Francesco Maria Grimaldi在17世紀(jì)首次系統(tǒng)地觀察和記錄了這種現(xiàn)象。

對于聚焦透鏡，從透鏡中出現(xiàn)的波前（可以解釋為次級球面波的疊加）在一定距離處會聚，形成聚光點。由于通過有限透鏡光圈的衍射，該焦點的寬度決定了成像系統(tǒng)的分辨率，取決于透鏡的面積和光的有限波長。因此，光的波動性質(zhì)解釋了光學(xué)中對面積的基本需求，以實現(xiàn)一定的成像分辨率。

光學(xué)器件需要非零厚度的原因更為復(fù)雜。從數(shù)學(xué)上講，這可以解釋為兩個表面之間的通信問題，其中這種通信需要一定數(shù)量的通道。對光學(xué)器件的最終厚度極限的興趣是由尋求小型化光學(xué)系統(tǒng)的最新進(jìn)展所激發(fā)的。

然而，即使在用超薄超表面替換所有光學(xué)元件之后，典型的光學(xué)系統(tǒng)仍然需要很大的空白空間來讓光傳播。這些空間的小型化一直是新興的非局部平面光學(xué)領(lǐng)域的研究重點。

在本文中，David A. B. Miller教授提供了一種通用方法來了解這些系統(tǒng)最終會變得多么薄。例如，作者直接將他的分析應(yīng)用于空間板塊，表明現(xiàn)有設(shè)計遵守并接近衍生的極限。相同的方法也用于確定成像系統(tǒng)以及執(zhí)行模擬計算和圖像處理操作的超表面所需的最小厚度。

基于不同的方法，最近的其他研究已經(jīng)解決了超出作者研究范圍的其他類別設(shè)備的最小所需厚度問題，包括光吸收器，超表面反射器和全彩色超鏡頭。

隨著創(chuàng)造超薄光學(xué)系統(tǒng)的競賽預(yù)計將在未來幾年加速，新概念和尖端技術(shù)，如超表面和空間板，以及理解其基本極限的新方法將發(fā)揮越來越重要的作用。這些進(jìn)步可能為新一代光學(xué)系統(tǒng)鋪平道路，在首次系統(tǒng)地觀測光衍射近四個世紀(jì)之后，終于接近波物理學(xué)允許的極限厚度極限。

圖1. 成像系統(tǒng)及相關(guān)的表面和通道

圖2.?輸入像素和輸出像素之間的連接

圖3.?三個尺度下的曲線

David A. B. Miller*, Why optics needs thickness, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade3395