当今世界，光学系统无处不在，从智能手机摄像头到显微镜和望远镜，所有这些都捕获众多数据，从而增强我们的视觉感知。近年来，使透镜和其他光学元件更薄一直是光学领域的一个重要目标。例如，制造轻薄的虚拟现实和增强现实耳机或夜视镜，将改变消费者和军事应用的游戏规则。因此，对光学系统的薄度有更好的理论理解至关重要。
在此，美国国家科学院和工程院院士，斯坦福大学David A. B. Miller教授作为唯一通讯和作者提出了一项理论研究，仅基于光学器件要执行的功能，得出了光学系统最小可能厚度的定量限制。这一发现和其他最近的结果解决了为什么光学系统需要一定厚度的基本问题。
相关论文以“Why optics needs thickness”为题发表在Science。
任何光学系统，如虚拟现实耳机或智能手机相机，都由光学元件（通常是镜头）、光电设备（如成像传感器或显示器）和它们之间的空白空间的组合而成。在简单的成像系统（例如人眼或相机）中，镜头弯曲光线，然后光线会聚在镜头后面的空间中，聚焦到形成图像的电子传感器、胶片或视网膜上。
通过考虑光的波动性质，可以更好地描述这种系统的光学行为及其物理极限。波的物理学解释了光扩散的自然趋势，特别是在障碍物周围和通过孔径，这种现象被称为衍射，意大利物理学家Francesco Maria Grimaldi在17世纪首次系统地观察和记录了这种现象。
对于聚焦透镜，从透镜中出现的波前（可以解释为次级球面波的叠加）在一定距离处会聚，形成聚光点。由于通过有限透镜光圈的衍射，该焦点的宽度决定了成像系统的分辨率，取决于透镜的面积和光的有限波长。因此，光的波动性质解释了光学中对面积的基本需求，以实现一定的成像分辨率。
光学器件需要非零厚度的原因更为复杂。从数学上讲，这可以解释为两个表面之间的通信问题，其中这种通信需要一定数量的通道。对光学器件的最终厚度极限的兴趣是由寻求小型化光学系统的最新进展所激发的。
然而，即使在用超薄超表面替换所有光学元件之后，典型的光学系统仍然需要很大的空白空间来让光传播。这些空间的小型化一直是新兴的非局部平面光学领域的研究重点。
在本文中，David A. B. Miller教授提供了一种通用方法来了解这些系统最终会变得多么薄。例如，作者直接将他的分析应用于空间板块，表明现有设计遵守并接近衍生的极限。相同的方法也用于确定成像系统以及执行模拟计算和图像处理操作的超表面所需的最小厚度。
基于不同的方法，最近的其他研究已经解决了超出作者研究范围的其他类别设备的最小所需厚度问题，包括光吸收器，超表面反射器和全彩色超镜头。
随着创造超薄光学系统的竞赛预计将在未来几年加速，新概念和尖端技术，如超表面和空间板，以及理解其基本极限的新方法将发挥越来越重要的作用。这些进步可能为新一代光学系统铺平道路，在首次系统地观测光衍射近四个世纪之后，终于接近波物理学允许的极限厚度极限。
图1. 成像系统及相关的表面和通道
图2. 输入像素和输出像素之间的连接
图3. 三个尺度下的曲线
David A. B. Miller*, Why optics needs thickness, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade3395