在一項可以顯著改變光學技術的突破性開發中，研究人員開發了一種新穎的透鏡設計，將螺旋幾何的古老原理與尖端光學工程相結合。這項創新，即螺旋屈光透鏡（spiral diopter lens），已成為多焦和擴充套件景深（ multifocality and extended depth of field，EDOF）的預兆，有望徹底改變從眼科到蓬勃發展的虛擬現實和緊湊成像系統的領域。
揭開螺旋屈光透鏡的面紗
這一創新的核心是螺旋屈光透鏡，這是產生光學漩渦(optical vortices)的復雜自由形狀設計技術的產物。與受對稱設計和有限焦能力限制的傳統透鏡不同，螺旋屈光透鏡利用散光(astigmatism)的特性在單個光學元件內編碼多個焦距。透過將費馬螺旋圖案整合到透鏡的屈光機構中，研究人員創造了一種新裝置，可以以前所未有的方式操縱光線，在不同距離和不同的照明條件下產生清晰的焦點。
該透鏡因其保持多焦性和擴充套件景深的能力而與眾不同，而不會有一般漸進式透鏡的失真。法國光子學、數值和奈米科學實驗室（ Photonics, Numerical and Nanosciences Laboratory，LP2N）研究的領軍人物Bertrand Simon和Laurent Galinier認為他們的開發的技術不僅有益於有視力障礙的人，而且有益於需要緊湊、高效能光學系統的廣泛套用。
背後的科學
光學渦流，也稱為相位奇異點或渦流束(phase singularities or vortex beams)，是波動光學中的獨特現象，其特征是光波的相位圍繞光強度為零的中心奇異點發生方位變化。這種相位奇異點導致螺旋相位前（helical phase front），光波的相位以類似於螺旋樓梯的方式纏繞奇異點。由於奇異點的破壞性幹擾，光的強度分布通常在中心具有暗核或零強度，周圍環繞著光環。
螺旋透鏡背後的技術能力在於其產生光學漩渦的新方法。建立這些漩渦的傳統方法通常需要多個光學元件。然而，螺旋屈光透鏡將這些元素直接納入其表面，簡化了過程，標誌著光學的顯著進步。
這是透過使用先進的數位加工技術將獨特的螺旋設計精確地塑造到鏡頭上，然後透過模擬和雷射測試進行嚴格試驗來實作的。研究人員利用散光特性和螺旋模式來操縱光線的創新方法產生了能夠跨越各種距離和照明條件清晰對焦的多焦透鏡。
從眼鏡到高級成像
螺旋屈光透鏡的影響遠遠超出了其在視力矯正中的初始套用。在眼科中，它為解決與年齡相關的 遠視和其他視力障礙提供了一個有前途的替代方案，提供了現有解決方案無法比擬的解析度和多功能性。然而，這種鏡頭設計的潛在套用是多種多樣的。
在消費電子領域，特別是在新興的虛擬現實和增強現實領域，對緊湊、高品質的光學元件的需求從未如此高。螺旋屈光透鏡具有在多個距離上提供清晰視覺的獨特能力，可以顯著增強使用者體驗，提供以前被認為無法實作的沈浸感和解析度。
此外，智慧型手機、無人機和自動駕駛車輛不可或缺的緊湊型成像系統也可以從這項技術中得到實質性的好處。透過簡化這些系統的設計和功能，螺旋屈光透鏡可以在各種深度實作更高效的成像，而無需額外的光學元件。這可能導致從面部辨識技術到自主導航系統的進步，使裝置更可靠、更高效，並能夠在更廣泛的環境條件下執行。
展望未來：螺旋屈光透鏡的未來
雖然螺旋屈光透鏡代表了一個重大的突破，但研究團隊承認，還有很多東西需要探索和完善。未來的調查將側重於了解鏡片產生的光學漩渦的確切性質，並將其套用擴充套件到普通眼鏡和其他形式的視覺輔助工具。此外，將這項技術整合到緊湊型成像技術、可穿戴裝置和遙感系統的潛力為廣泛的行業提供了令人興奮的前景。
螺旋屈光透鏡的發展證明了跨學科合作的力量，將先進的制造技術與創新的光學科學相結合。隨著這項研究的進展，它不僅有望增強人類視覺，還為下一代光學技術鋪平道路，這些光學技術比以往任何時候都更小、更高效、更通用。
