在一项可以显著改变光学技术的突破性发展中，研究人员开发了一种新颖的透镜设计，将螺旋几何的古老原理与尖端光学工程相结合。这项创新，即螺旋屈光透镜（spiral diopter lens），已成为多焦和扩展景深（ multifocality and extended depth of field，EDOF）的预兆，有望彻底改变从眼科到蓬勃发展的虚拟现实和紧凑成像系统的领域。

揭开螺旋屈光透镜的面纱

这一创新的核心是螺旋屈光透镜，这是产生光学漩涡(optical vortices)的复杂自由形状设计技术的产物。与受对称设计和有限焦能力限制的传统透镜不同，螺旋屈光透镜利用散光(astigmatism)的特性在单个光学元件内编码多个焦距。通过将费马螺旋图案集成到透镜的屈光机构中，研究人员创造了一种新装置，可以以前所未有的方式操纵光线，在不同距离和不同的照明条件下产生清晰的焦点。

该透镜因其保持多焦性和扩展景深的能力而与众不同，而不会有一般渐进式透镜的失真。法国光子学、数值和纳米科学实验室（ Photonics, Numerical and Nanosciences Laboratory，LP2N）研究的领军人物Bertrand Simon和Laurent Galinier认为他们的开发的技术不仅有益于有视力障碍的人，而且有益于需要紧凑、高性能光学系统的广泛应用。

背后的科学

光学涡流，也称为相位奇点或涡流束(phase singularities or vortex beams)，是波动光学中的独特现象，其特征是光波的相位围绕光强度为零的中心奇点发生方位变化。这种相位奇点导致螺旋相位前（helical phase front），光波的相位以类似于螺旋楼梯的方式缠绕奇点。由于奇点的破坏性干扰，光的强度分布通常在中心具有暗核或零强度，周围环绕着光环。

螺旋透镜背后的技术能力在于其产生光学漩涡的新方法。创建这些漩涡的传统方法通常需要多个光学元件。然而，螺旋屈光透镜将这些元素直接纳入其表面，简化了过程，标志着光学的显著进步。

这是通过使用先进的数字加工技术将独特的螺旋设计精确地塑造到镜头上，然后通过模拟和激光测试进行严格试验来实现的。研究人员利用散光特性和螺旋模式来操纵光线的创新方法产生了能够跨越各种距离和照明条件清晰对焦的多焦透镜。

从眼镜到高级成像

螺旋屈光透镜的影响远远超出了其在视力矫正中的初始应用。在眼科中，它为解决与年龄相关的 远视和其他视力障碍提供了一个有前途的替代方案，提供了现有解决方案无法比拟的清晰度和多功能性。然而，这种镜头设计的潜在应用是多种多样的。

在消费电子领域，特别是在新兴的虚拟现实和增强现实领域，对紧凑、高质量的光学组件的需求从未如此高。螺旋屈光透镜具有在多个距离上提供清晰视觉的独特能力，可以显著增强用户体验，提供以前被认为无法实现的沉浸感和清晰度。

此外，智能手机、无人机和自动驾驶车辆不可或缺的紧凑型成像系统也可以从这项技术中得到实质性的好处。通过简化这些系统的设计和功能，螺旋屈光透镜可以在各种深度实现更高效的成像，而无需额外的光学元件。这可能导致从面部识别技术到自主导航系统的进步，使设备更可靠、更高效，并能够在更广泛的环境条件下运行。

展望未来：螺旋屈光透镜的未来

虽然螺旋屈光透镜代表了一个重大的突破，但研究团队承认，还有很多东西需要探索和完善。未来的调查将侧重于了解镜片产生的光学漩涡的确切性质，并将其应用扩展到普通眼镜和其他形式的视觉辅助工具。此外，将这项技术集成到紧凑型成像技术、可穿戴设备和遥感系统的潜力为广泛的行业提供了令人兴奋的前景。

螺旋屈光透镜的发展证明了跨学科合作的力量，将先进的制造技术与创新的光学科学相结合。随着这项研究的进展，它不仅有望增强人类视觉，还为下一代光学技术铺平道路，这些光学技术比以往任何时候都更小、更高效、更通用。