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一種新穎多維采樣理論可克服平面光學(xué)的局限性 浦項(xiàng)科技大學(xué)（POSTECH）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新穎的多維采樣理論，以克服平面光學(xué)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(shè)計(jì)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(xué)性能。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·通訊》上。 平面光學(xué)是一種通過(guò)在超薄表面設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)來(lái)操控納米尺度光線的尖端技術(shù)。與依賴笨重透鏡和鏡片的傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)不同，平面光學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)超緊湊、高性能的光學(xué)器件。這項(xiàng)創(chuàng)新對(duì)于縮小智能手機(jī)攝像頭尺寸（減少“攝像頭凸起”）和推動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的發(fā)展尤為重要。 超表面是平面光學(xué)最具前景的應(yīng)用之一，它依賴數(shù)億個(gè)納米結(jié)構(gòu)來(lái)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(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的過(guò)程，類似于人類大腦通過(guò)每秒快速捕捉多張圖像來(lái)生成連續(xù)運(yùn)動(dòng)感知的視覺(jué)信息處理方式。  超透鏡中的混疊 然而，傳統(tǒng)采樣方法存在挑戰(zhàn)。當(dāng)采樣率過(guò)低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)混疊偽影，導(dǎo)致圖像失真和光學(xué)效率低下。一個(gè)眾所周知的例子是“馬車輪效應(yīng)”，即視頻中旋轉(zhuǎn)的車輪由于幀率不足而看起來(lái)向后移動(dòng)或靜止。這種混疊問(wèn)題是超表面設(shè)計(jì)中的一個(gè)主要限制，顯著降低了光學(xué)效率和精度。 幾十年來(lái)，研究人員一直依賴奈奎斯特采樣定理來(lái)預(yù)測(cè)和緩解混疊問(wèn)題。然而，POSTECH團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，盡管奈奎斯特定理在數(shù)字信號(hào)處理中很有用，但它并未充分考慮超表面的光學(xué)復(fù)雜性。雖然奈奎斯特理論有效地定義了數(shù)字信號(hào)處理的頻率限制，但它無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)或防止超表面中的光學(xué)失真，因?yàn)槌砻姹仨毻瑫r(shí)考慮復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)和光的波動(dòng)特性。 為了解決這一局限性，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的多維采樣理論，結(jié)合了超表面的二維晶格結(jié)構(gòu)和光的波動(dòng)特性。他們的研究首次揭示了超表面納米結(jié)構(gòu)晶格與其光譜分布之間的幾何關(guān)系在決定光學(xué)性能中起著關(guān)鍵作用。通過(guò)調(diào)整晶格旋轉(zhuǎn)并集成衍射元件，團(tuán)隊(duì)提出了一種抗混疊策略，最大限度地減少了噪聲并增強(qiáng)了對(duì)光的控制。利用這種方法，他們成功降低了從可見(jiàn)光到紫外波長(zhǎng)的寬光譜范圍內(nèi)的光學(xué)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。  混疊超透鏡 這項(xiàng)研究不僅重新定義了光學(xué)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(qiáng)調(diào)了他們發(fā)現(xiàn)的重要性：“這項(xiàng)研究為下一代平面光學(xué)設(shè)備（包括高數(shù)值孔徑超透鏡和廣角超全息圖）開(kāi)辟了新的可能性。我們新開(kāi)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(zhǎng)范圍。短波長(zhǎng)紫外光學(xué)需要極其精確的制造，使得這一領(lǐng)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(kāi)辟了新的機(jī)遇�！� 該研究由Rho教授（機(jī)械工程系、化學(xué)工程系、電氣工程系和融合科學(xué)技術(shù)研究生院）以及POSTECH的碩士/博士生Seokwoo Kim、Joohoon Kim、Kyungtae Kim和Minsu Jeong（機(jī)械工程系）共同領(lǐng)導(dǎo)。 相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-024-55095-z |
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