當今世界，光學系統無處不在，從智能手機攝像頭到顯微鏡和望遠鏡，所有這些都捕獲眾多數據，從而增強我們的視覺感知。近年來，使透鏡和其他光學元件更薄一直是光學領域的一個重要目標。例如，制造輕薄的虛擬現實和增強現實耳機或夜視鏡，將改變消費者和軍事應用的游戲規則。因此，對光學系統的薄度有更好的理論理解至關重要。

在此，美國國家科學院和工程院院士，斯坦福大學David A. B. Miller教授作為唯一通訊和作者提出了一項理論研究，僅基于光學器件要執行的功能，得出了光學系統最小可能厚度的定量限制。這一發現和其他最近的結果解決了為什么光學系統需要一定厚度的基本問題。

相關論文以“Why optics needs thickness”為題發表在Science。

任何光學系統，如虛擬現實耳機或智能手機相機，都由光學元件（通常是鏡頭）、光電設備（如成像傳感器或顯示器）和它們之間的空白空間的組合而成。在簡單的成像系統（例如人眼或相機）中，鏡頭彎曲光線，然后光線會聚在鏡頭后面的空間中，聚焦到形成圖像的電子傳感器、膠片或視網膜上。

通過考慮光的波動性質，可以更好地描述這種系統的光學行為及其物理極限。波的物理學解釋了光擴散的自然趨勢，特別是在障礙物周圍和通過孔徑，這種現象被稱為衍射，意大利物理學家Francesco Maria Grimaldi在17世紀首次系統地觀察和記錄了這種現象。

對于聚焦透鏡，從透鏡中出現的波前（可以解釋為次級球面波的疊加）在一定距離處會聚，形成聚光點。由于通過有限透鏡光圈的衍射，該焦點的寬度決定了成像系統的分辨率，取決于透鏡的面積和光的有限波長。因此，光的波動性質解釋了光學中對面積的基本需求，以實現一定的成像分辨率。

光學器件需要非零厚度的原因更為復雜。從數學上講，這可以解釋為兩個表面之間的通信問題，其中這種通信需要一定數量的通道。對光學器件的最終厚度極限的興趣是由尋求小型化光學系統的最新進展所激發的。

然而，即使在用超薄超表面替換所有光學元件之后，典型的光學系統仍然需要很大的空白空間來讓光傳播。這些空間的小型化一直是新興的非局部平面光學領域的研究重點。

在本文中，David A. B. Miller教授提供了一種通用方法來了解這些系統最終會變得多么薄。例如，作者直接將他的分析應用于空間板塊，表明現有設計遵守并接近衍生的極限。相同的方法也用于確定成像系統以及執行模擬計算和圖像處理操作的超表面所需的最小厚度。

基于不同的方法，最近的其他研究已經解決了超出作者研究范圍的其他類別設備的最小所需厚度問題，包括光吸收器，超表面反射器和全彩色超鏡頭。

隨著創造超薄光學系統的競賽預計將在未來幾年加速，新概念和尖端技術，如超表面和空間板，以及理解其基本極限的新方法將發揮越來越重要的作用。這些進步可能為新一代光學系統鋪平道路，在首次系統地觀測光衍射近四個世紀之后，終于接近波物理學允許的極限厚度極限。

圖1. 成像系統及相關的表面和通道

圖2.?輸入像素和輸出像素之間的連接

圖3.?三個尺度下的曲線

David A. B. Miller*, Why optics needs thickness, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade3395