光學(xué)超構(gòu)表面技術(shù)作為一種全新的平面光學(xué)技術(shù)，近年來取得了顯著的進(jìn)展，為光學(xué)成像開辟了廣泛的應(yīng)用前景。超構(gòu)表面在對波前進(jìn)行精確調(diào)控的同時(shí)，具有多功能、易于集成、輕薄和緊湊的優(yōu)勢。這些創(chuàng)新性的優(yōu)勢為基于超構(gòu)表面的多維光場成像技術(shù)和計(jì)算成像方面提供了新的可能性。

同時(shí)，超構(gòu)表面可用于AR/VR、光纖、光波導(dǎo)等前沿應(yīng)用，以及超分辨成像、量子成像等創(chuàng)新性成像技術(shù)。在未來，超構(gòu)表面將具有更強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，可滿足各種復(fù)雜應(yīng)用場景的需求，在光學(xué)成像領(lǐng)域扮演日益重要的角色。

南京大學(xué)物理學(xué)院固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的鄭詩雨團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章，回顧了光學(xué)成像發(fā)展歷程，重點(diǎn)介紹超構(gòu)表面在多維光場調(diào)控成像方面的研究進(jìn)展，探討其應(yīng)用前景，總結(jié)成果并展望未來。

超構(gòu)表面發(fā)展進(jìn)程

起源與基礎(chǔ)

幾何光學(xué)發(fā)展為光學(xué)器件設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，光學(xué)元件廣泛應(yīng)用于多種器件。1908年，Lippmann基于昆蟲復(fù)眼結(jié)構(gòu)提出集成攝影技術(shù)，為光場成像技術(shù)奠定基礎(chǔ)。超構(gòu)材料因其特殊光學(xué)性質(zhì)引起關(guān)注，1968年Veselago發(fā)表負(fù)折射率材料理論工作，之后相關(guān)研究不斷推進(jìn)。2011年，Yu等提出廣義斯涅耳定律，超構(gòu)表面應(yīng)運(yùn)而生，其能在亞波長范圍內(nèi)靈活調(diào)制光的多種自由度。

相位調(diào)控機(jī)制

超構(gòu)表面有共振相位、幾何相位和傳輸相位三種主要相位調(diào)控機(jī)制。共振相位利用共振效應(yīng)調(diào)控特定頻率范圍相位，如Sun等設(shè)計(jì)的金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)通過等離子體耦合控制相位梯度變化。幾何相位與光偏振態(tài)密切相關(guān)，由幾何參數(shù)相同、各向異性微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，如Chen等設(shè)計(jì)的新型平面透鏡通過控制結(jié)構(gòu)單元旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)電磁波。傳輸相位由介質(zhì)折射率和厚度共同決定，如Khorasaninejad等利用TiO?設(shè)計(jì)超構(gòu)透鏡通過改變納米柱尺寸實(shí)現(xiàn)聚焦。此外，逆向設(shè)計(jì)成為重要設(shè)計(jì)方法，包括梯度優(yōu)化和全局優(yōu)化方法，為超構(gòu)表面設(shè)計(jì)提供更多可能。

應(yīng)用前景

超構(gòu)表面通過精確控制光的相位、振幅和偏振，在光學(xué)成像、光通信、光傳感、光學(xué)器件和光學(xué)信息處理等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛應(yīng)用前景，為光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域帶來新的發(fā)展機(jī)遇。

超構(gòu)表面發(fā)展進(jìn)程

色散型成像

消色差成像

光線通過微結(jié)構(gòu)成像時(shí)，超構(gòu)表面可在亞波長尺度引入有效折射率和色散，通過合理設(shè)置結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使不同頻率光產(chǎn)生不同相位延遲，從而有效提升成像質(zhì)量。例如Capasso課題組設(shè)計(jì)的多波長消色差超構(gòu)透鏡、寬帶消色差超構(gòu)透鏡等，在不同波長下實(shí)現(xiàn)消色差，提高了光學(xué)系統(tǒng)性能，對診斷、檢測和分析等應(yīng)用具有重要意義。

基于超構(gòu)表面的消色差透鏡

光譜成像

光譜成像技術(shù)發(fā)展迅速，根據(jù)光譜通道數(shù)分為多光譜成像和高光譜成像，工作機(jī)理可分為掃描成像和快照成像。Faraji-Dana等的線掃描折疊超構(gòu)表面高光譜成像儀在特定波長范圍工作，性能優(yōu)異；Yang等的單根納米線制作的掃描式超構(gòu)表面光譜成像儀可重構(gòu)入射光譜；McClung等的多孔徑平行超構(gòu)表面快照成像系統(tǒng)能在小體積內(nèi)同時(shí)獲取多個(gè)圖像通道；Lin等結(jié)合超構(gòu)表面和深度學(xué)習(xí)的緊湊式快照高光譜成像儀可生成高保真度數(shù)據(jù)立方體。超構(gòu)表面為光譜成像系統(tǒng)帶來新設(shè)計(jì)思路，推動(dòng)其在多領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。

基于超構(gòu)表面的光譜成像儀和成像原理

超構(gòu)表面偏振成像

偏振描述方法

主要通過Jones矢量法、Stokes矢量法和龐加萊球表示法對偏振光進(jìn)行描述。Jones矢量法利用兩個(gè)正交分量構(gòu)成列矩陣描述偏振態(tài)；Stokes矢量通過四個(gè)參數(shù)解釋偏振態(tài)，其偏振度可區(qū)分不同偏振類型。

偏振成像進(jìn)展

基于超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的偏振器件集成度高，推動(dòng)偏振成像技術(shù)向小型化發(fā)展。Arbabi等設(shè)計(jì)的分焦平面偏振相機(jī)實(shí)現(xiàn)全Stokes成像偏振測量與成像，突破理論效率限制；Capasso課題組采用矩陣傅里葉光學(xué)理論框架，通過設(shè)計(jì)超構(gòu)表面衍射光柵實(shí)現(xiàn)偏振成像；2022年Zhang等提出無串?dāng)_的寬帶消色差全Stokes成像偏振器解決串?dāng)_問題；2023年Huang等的交錯(cuò)式金屬超構(gòu)透鏡實(shí)現(xiàn)對不同偏振態(tài)光的高分辨率成像和偏振測量；Gao等提出的光譜和偏振多焦點(diǎn)超構(gòu)透鏡可單次拍攝獲取光譜和橢圓偏振度等信息。超構(gòu)表面偏振成像技術(shù)仍面臨挑戰(zhàn)，需科研人員深入研究。

基于超構(gòu)表面的偏振成像

三維成像

主動(dòng)式三維成像

飛行時(shí)間法：傳統(tǒng)ToF產(chǎn)品存在視場受限、功耗大、分辨率低等問題，超構(gòu)表面可改善。Sun等使用基于TCO的電可調(diào)有源超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)10m處3D深度成像，三星公司改進(jìn)實(shí)現(xiàn)光束掃描功能，Chen等開發(fā)基于超構(gòu)表面透鏡陣列的半固體微機(jī)械光束掃描系統(tǒng)，Stelinga等利用多模光纖實(shí)現(xiàn)接近視頻幀率的三維成像，為相關(guān)應(yīng)用帶來新可能。

結(jié)構(gòu)光三維成像技術(shù)：利用結(jié)構(gòu)光原理，超構(gòu)表面克服傳統(tǒng)光學(xué)元件局限。Li等提出的Hermitian共軛超構(gòu)表面生成全空間隨機(jī)點(diǎn)云，輔助結(jié)構(gòu)光3D成像；Ni等實(shí)現(xiàn)大視場結(jié)構(gòu)光投影；Kim等實(shí)現(xiàn)全空間結(jié)構(gòu)光投影和三維成像，并展示增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡制造可行性。

超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光三維成像

被動(dòng)式三維成像技術(shù)

雙目視差三維成像：傳統(tǒng)雙目機(jī)器視覺系統(tǒng)存在問題，超構(gòu)表面可改善。Liu等提出基于新型雙目GaN超構(gòu)透鏡的水下立體視覺系統(tǒng)，操作簡單流暢，精度高，還具有超疏水性，未來三維成像技術(shù)將不斷發(fā)展完善。

光場三維成像：利用微透鏡陣列器件，超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)透鏡會(huì)聚功能且具高分辨率、低損耗優(yōu)點(diǎn)。Lin等制備消色差超構(gòu)透鏡陣列實(shí)現(xiàn)寬帶連續(xù)無色差全彩光場成像；Holsteen等設(shè)計(jì)多功能光場超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)三維單粒子跟蹤；Liu等提出超構(gòu)透鏡陣列實(shí)現(xiàn)緊湊型像差校正的三維定位，在多個(gè)領(lǐng)域有應(yīng)用潛力。

被動(dòng)式三維成像

計(jì)算光學(xué)成像

后端成像

基于超構(gòu)表面的后端成像技術(shù)可處理和分析多維度信息。Colburn等利用雙孔徑超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)場景被動(dòng)測距和重建；Guo等設(shè)計(jì)的深度傳感器利用PSF測量深度；Hua等提出的超緊湊光場光譜成像技術(shù)結(jié)合超構(gòu)透鏡陣列與傳感器，采用稀疏編碼算法提高光譜分辨率；Jing等利用單一條紋投影實(shí)現(xiàn)活動(dòng)三維定位和成像；Li等展示的機(jī)器學(xué)習(xí)可編程超構(gòu)表面成像器可在復(fù)雜場景實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量成像和目標(biāo)識別，為多領(lǐng)域帶來應(yīng)用前景。

超構(gòu)表面的后端成像

端對端成像

聯(lián)合優(yōu)化端對端成像是計(jì)算成像范式。Tseng等提出全可微學(xué)習(xí)框架展示高質(zhì)量可見光成像超構(gòu)表面；Lin等提出單次多通道超構(gòu)表面成像聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，可從單色圖像提取多通道信息；Ma等聯(lián)合統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)模型實(shí)現(xiàn)紅外波段聚焦和全息成像；Zhang等提出緊湊型快照高光譜成像系統(tǒng)，通過聯(lián)合優(yōu)化提高成像質(zhì)量和性能。

基于端對端的超構(gòu)表面

先進(jìn)應(yīng)用與前景

AR/VR

超構(gòu)表面可改善AR/VR近眼顯示系統(tǒng)。Lee等提出超構(gòu)表面全彩AR近眼顯示器，Capasso團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)RGB消色差超構(gòu)透鏡，Li等提出反射型超構(gòu)透鏡，Rolland研究團(tuán)隊(duì)提出Metaform技術(shù)，Lan等設(shè)計(jì)隱形眼鏡式超構(gòu)表面，Tang等提出動(dòng)態(tài)可調(diào)AR顯示系統(tǒng)。目前超構(gòu)表面在AR/VR中起補(bǔ)充或替代傳統(tǒng)光學(xué)元件作用，未來相關(guān)光學(xué)元件將向更小、更輕、更薄發(fā)展。

AR/VR顯示系統(tǒng)

光纖/光波導(dǎo)

超構(gòu)表面集成在光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上可提升性能。Li等制備梯度超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多種器件功能；Capasso課題組設(shè)計(jì)超構(gòu)透鏡新型光纖導(dǎo)管解決傳統(tǒng)光學(xué)OCT技術(shù)局限；Zhong等實(shí)現(xiàn)千兆赫級可切換的波前整形；Wetzstein課題組提出基于超構(gòu)表面波導(dǎo)的全彩色3D全息AR顯示技術(shù)，提高視覺質(zhì)量。

光纖/光波導(dǎo)的應(yīng)用

超分辨成像

超構(gòu)表面可提高成像分辨率。Cheng等實(shí)現(xiàn)超振蕩的超分辨成像；Zhao等利用深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)感知和超分辨率成像；Guo 等展示雙波段遠(yuǎn)場超分辨透鏡設(shè)計(jì)方法。超構(gòu)表面在超分辨成像領(lǐng)域潛力巨大，可應(yīng)用于光學(xué)顯微鏡等領(lǐng)域。

基于超構(gòu)表面的超分辨成像與量子成像

量子成像

量子成像利用光子關(guān)聯(lián)性，超構(gòu)表面可應(yīng)用于其中。Altuzarra 等實(shí)現(xiàn)依賴量子糾纏的光學(xué)成像；Liu研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)可切換的邊緣檢測功能；Li等實(shí)現(xiàn)高維度、集成化的雙光子、多光子糾纏光源。超構(gòu)透鏡商業(yè)化發(fā)展迅速，如Metalenz公司推出相關(guān)產(chǎn)品，深圳邁塔蘭斯科技有限公司發(fā)布光學(xué)系統(tǒng)原型鏡頭，未來商業(yè)前景廣闊。

結(jié)論與展望

超構(gòu)表面技術(shù)在光學(xué)成像領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展，在多種成像方式中展現(xiàn)出巨大潛力，廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，推動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。同時(shí)，超構(gòu)表面也面臨高精度制造和批量生產(chǎn)難度大、成本高、材料選擇和穩(wěn)定性挑戰(zhàn)等問題。

但隨著技術(shù)發(fā)展，未來有望設(shè)計(jì)出功能性更豐富的超構(gòu)表面，結(jié)合納米壓印技術(shù)與電子束光刻可降低成本，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，推動(dòng)其在更多場景的應(yīng)用，進(jìn)一步革新光學(xué)成像技術(shù)。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來源于：鄭詩雨,余一婉,周徐淅,付博妍,王漱明,王振林,祝世寧.超構(gòu)表面賦能多維度光學(xué)成像研究（特邀）[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2024,61(16):1611001.Shiyu Zheng,Yiwan Yu,Xuxi Zhou,Boyan Fu,Shuming Wang,Zhenlin Wang,Shining Zhu. Research on Multidimensional Optical Imaging Empowered by Metasurfaces (Invited)[J].Laser & Optoelectronics Progress, 2024,61(16):1611001.