三星推进超透镜技术，用于更薄的手机和XR眼镜

近日，一篇题为 《基于三分之二波长相位延迟金属透镜的紧凑型眼部相机》 的研究论文，聚焦于用于眼部相机的超紧凑超透镜。这项研究由三星电子与浦项工科大学（POSTECH）联合产学研项目开展，并发表在国际知名学术期刊《Nature Communications》上。

该研究由三星研究院的尹正根博士（Dr. Jeong-Geun Yun）与 POSTECH 的卢俊锡教授（Prof. Junsuk Rho）共同主导，POSTECH 的研究员姜贤静（Hyunjung Kang）担任共同第一作者。三星采用了涵盖构思、实现与验证的系统性研究方法，展示了下一代光子器件技术的潜力以及产品差异化的新机遇。

▲（从左至右）浦项科技大学的 Junsuk Roh 教授和 Hyunjung Kang 研究员，以及三星研究院的 Jeong-Geun Yun 博士

尤其值得关注的是，该研究有望显著减轻扩展现实（XR）设备的厚度与重量，并降低智能手机相机模组的高度，从而为解决设备机身“相机凸起”（camera bump）问题提供了可能方案。最为重要的是，研究团队成功突破了长期以来阻碍超透镜商业化的技术瓶颈。

全球首个“三分之二波长相位延迟”实现

超透镜是一种超薄透镜，其通过在平面上排列的纳米结构操纵光线，而非依赖传统透镜的曲面折射。其厚度远小于一根头发丝，使其成为开发紧凑、轻量化光学器件的理想选择。

为了实现对光的精确控制，超透镜需要产生一个波长的相位延迟¹——即光在一次振荡过程中传播的距离。这种相位延迟能够确保光波在焦点处正确叠加，从而形成清晰的成像。传统上，实现这一点通常需要构建数千万个极其狭窄且高耸的纳米结构，其纵横比²至少达到 1:10。这类结构不仅制造难度极高，而且易于断裂，长期以来成为金属透镜商业化的主要障碍。

▲ 超透镜的工作原理

“由于制造工艺复杂且机械稳定性不足，超透镜一直难以实现商业化。为了解决这一问题，我们与设计、仿真、制造和验证领域的专家合作，开发了一种全新的纳米结构设计方法。”—— 三星研究院 尹正根博士

研究团队首次在全球提出了一种仅利用 三分之二波长相位延迟 实现光衍射的方法，而非传统所需的整波长相位延迟。该方法利用了一个现象：即使采用三分之二波长相位延迟，由多个纳米结构组成的超晶胞（supercell）³ 仍能保持恒定的相位梯度，从而使远场中的波前保持稳定。

由于相位延迟与纳米结构的宽度和高度成正比，这一方法使纵横比可降低至约 1:5。因此，在不牺牲光学性能的前提下，显著降低了纳米结构的高度。该改进不仅减少了制造难度和缺陷率，还提高了结构稳定性，同时增强了生产和成本竞争力。

▲ 降低纳米结构高度的超透镜实现了纵横比的调整

相机光学的新可能

利用新开发的超透镜，研究团队构建了一款用于 XR 设备的超紧凑红外眼部相机。尽管厚度极薄，该相机仍然能够实现准确的瞳孔追踪和虹膜纹理识别。

通过集成超透镜，团队将相机厚度相比传统折射透镜相机减少了 20% —— 从 2.0 毫米缩减至 1.6 毫米，从而降低了重量与体积。系统同时实现了在 120 度宽视场 下的精确视线追踪与虹膜特征点识别。此外，其 调制传递函数（MTF） 性能从 50% 提升至 72%。

超透镜商业化的新路径

本研究提出了一种新的光衍射控制设计原理——在降低相位延迟需求的同时，实现高光学性能、机械稳定性与成本效率的平衡。

展望未来，该技术有望扩展至可见光波段，并应用于缩减智能手机相机凸起、微型化多类成像传感系统，为设备差异化开辟新方向。

三星将继续推进多元化研究，包括产学研合作，以掌握塑造未来的下一代核心技术。

¹ 相位延迟（phase delay）：单一频率的波因传播延迟而在另一点滞后的现象。

² 纵横比（aspect ratio）：纳米结构高度与宽度的比值。

³ 超晶胞（supercell）：由纳米结构排布形成的最小衍射单元。

⁴ 调制传递函数（MTF）：衡量透镜再现图像清晰度的能力。