基于超构透镜的粒子图像测速技术

近日，上海交大机械与动力工程学院航空动力研究所施圣贤副教授与香港城市大学蔡定平教授课题组跨学科合作，在Advanced Materials上发表题为“Meta-lens Particle Image Velocimetry”的研究论文，提出了基于超构透镜的粒子图像测速技术（Meta-lens PIV），助力先进光学诊断技术发展。论文第一作者是香港城市大学博士后刘小源和上海交大航空动力研究所博士后赵洲，通讯作者为施圣贤副教授、香港城市大学陈沐谷助理教授和蔡定平教授等。  

PIV技术作为实验流体研究的经典手段，在生物医学、海洋装备、航空航天等领域的科学研究和工程应用中得到了广泛的运用。然而，传统的PIV方法需要多个相机和复杂的多镜头系统，以获取不同视角的图像，并通过进一步分析获得三维速度场，这使得整个系统变得复杂，且在实际应用中特别是受限空间等场景存在一系列的挑战。 

研究尝试将光学超材料与PIV技术融合，以实现PIV系统小型化的目的。超构透镜是一种先进的平面光学元件，由人工制造的纳米单元阵列组成。作为一种新型光学超材料，超构透镜可以精准操控光的波前，具备超薄、紧凑和无球差的特点，有望替代传统的光学成像系统。

研究团队将一对超构透镜刻蚀在0.5mm厚的蓝宝石基板上，并将其集成到CMOS传感器中，构建了紧凑的双目超构透镜相机。这种双目超构透镜的重量仅为116毫克，远远轻于商用镜头。通过使用双目超构透镜拍摄粒子图像，可以获得精确的三维速度场数据。研究团队通过雷诺数为2000的涡环实验验证了基于超构透镜的粒子图像测速技术，涡环直径的测量误差仅约为1.25%。

(a) 双目超构透镜相机 (b) 双目超构透镜 (c) 实验系统 (d) 粒子图像

研究团队通过光学超材料设计及制备方法，形成超薄、极轻、无球差的超构透镜，并利用其替换传统镜头，直接与CMOS芯片集成，构建紧凑的双目超构透镜PIV系统，展示了PIV技术小型化、轻便部署的发展趋势。

研究将先进微纳光学技术与传统流场诊断技术相结合，使传统的实验流体测试工具焕发新的活力，并针对便携易用、受限空间等测量场景，拓展了PIV技术和光学超材料技术的应用潜力，为PIV技术的小型化和低功耗等方面的应用研究提供了新的思路。

研究工作得到了国家自然科学基金面上项目和青年项目，以及中央高校基本科研专项资金的资助。 

审核编辑：黄飞