近红外（NIR）成像现已成为消费电子和生物医学系统中的重要组成部分，应用范围包括增强现实（AR）眼球追踪、生物特征认证以及皮下血管成像1、2、3、4。随着这些平台对更薄、更轻的形态要求不断提高，传统的折射光学器件面临着根本性的限制。即使是最先进的折射光学器件也需要额外的元件来校正光学像差，这不可避免地增加了系统的体积和组装复杂性5。

金属透镜是一种超薄的平面光学元件，由亚波长纳米结构阵列组成。由于它们能够在平面几何结构中精确控制光的相位、振幅和偏振，因此成为微型成像系统的有前途的选择6、7、8、9。然而，单层金属透镜在光圈大小、视场角和像差校正之间存在固有的权衡10、11。

克服这一问题的一个方法是结合多个平面元件，将负担分散到它们之间。2016年，Arbabi等人展示了将两个超表面组合成一个双透镜可以同时校正广角单色像差，为多元件超光学设计奠定了基础12。在此基础上，2018年，Chen等人将球面透镜与超表面校正器结合，将消色差性能扩展到了近红外范围13。Balli等人展示了具有改进聚焦效率的混合消色差金属透镜1415

到目前为止，还没有一个集成平台能够同时实现超过100°的视场角（FOV）、小于5毫米的总光程（TTL）以及晶圆级别的可制造性。这种组合对于下一代紧凑型近红外成像模块至关重要。Chi等人在《Light: Advanced Manufacturing》杂志上报道了一种亚球面透镜（MAL），它实现了这三项要求。一个非球面折射透镜和一个金属透镜在晶圆级别实现了单片集成和粘合16，整个过程只需要一个切割步骤，且无需后续的机械对准。

如图1（左）所示，非球面折射透镜是通过激光直写和纳米压印光刻技术在单独的晶圆上制造的。然后将其在微米级别对准并粘合到金属透镜上。在超表面上方设计了一个空气间隙，以在粘合过程中保护纳米结构。一个结合了\(\alpha\)-Si材料实验测量色散的前向模型确保了仿真和制造结果之间的高度一致。由此产生的MAL成像系统（图1，右）实现了101.5°的FOV、3.39毫米的TTL和F/1.64的光圈，总体积仅为0.02立方厘米（cm3），在整个视场范围内保持MTF超过0.31（lp/mm）。成像演示包括美国空军（USAF）分辨率目标、多注视角度下的眼球模型追踪，以及传统可见光相机无法看到的手背静脉的可视化。此外，作者还展示了使用MambaIR深度学习模型的计算超分辨率技术，这是首次将其应用于近红外成像17。

图1：晶圆级别制造的亚球面透镜（MAL）和成像系统。
图1：晶圆级别制造的亚球面透镜（MAL）和成像系统。此图像的替代文本可能是通过AI生成的。
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（左）晶圆级别粘合的示意图，其中非球面透镜晶圆和金属透镜晶圆被单片集成到一个MAL晶圆中，实现了晶圆级别的批量制造。（右）MAL成像系统的横截面示意图，包括非球面透镜、光圈、金属透镜、空气间隙、盖玻片和图像传感器，视场角（FOV）为101.5°，总光程（TTL）为3.39毫米（mm），总体积为0.02立方厘米（cm3）

从电子束光刻技术向更高吞吐量的图案化技术（如深紫外光刻或基于纳米压印的金属透镜制造）的转变将是进一步降低成本和提高生产产量的重要步骤18、19、20。将操作带宽扩展到当前范围之外将扩大其在多光谱近红外任务中的应用范围，包括血液氧成像和夜视。该平台可以适应下一代AR眼镜中的面部识别、虹膜扫描和注视估计模块，这些应用同时需要超紧凑的形态和宽视场角（FOV）。