光學超構表面技術作為一種全新的平面光學技術，近年來取得了顯著的進展，為光學成像開辟了廣泛的應用前景。超構表面在對波前進行精確調(diào)控的同時，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)勢為基于超構表面的多維光場成像技術和計算成像方面提供了新的可能性。

同時，超構表面可用于AR/VR、光纖、光波導等前沿應用，以及超分辨成像、量子成像等創(chuàng)新性成像技術。在未來，超構表面將具有更強的靈活性和適應性，可滿足各種復雜應用場景的需求，在光學成像領域扮演日益重要的角色。

南京大學物理學院固體微結構物理國家重點實驗室的鄭詩雨團隊發(fā)表文章，回顧了光學成像發(fā)展歷程，重點介紹超構表面在多維光場調(diào)控成像方面的研究進展，探討其應用前景，總結成果并展望未來。

超構表面發(fā)展進程

起源與基礎
幾何光學發(fā)展為光學器件設計奠定基礎，光學元件廣泛應用于多種器件。1908年，Lippmann基于昆蟲復眼結構提出集成攝影技術，為光場成像技術奠定基礎。超構材料因其特殊光學性質(zhì)引起關注，1968年Veselago發(fā)表負折射率材料理論工作，之后相關研究不斷推進。2011年，Yu等提出廣義斯涅耳定律，超構表面應運而生，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)控機制
超構表面有共振相位、幾何相位和傳輸相位三種主要相位調(diào)控機制。共振相位利用共振效應調(diào)控特定頻率范圍相位，如Sun等設計的金屬-介質(zhì)-金屬結構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，由幾何參數(shù)相同、各向異性微結構產(chǎn)生，如Chen等設計的新型平面透鏡通過控制結構單元旋轉角度調(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TiO₂設計超構透鏡通過改變納米柱尺寸實現(xiàn)聚焦。此外，逆向設計成為重要設計方法，包括梯度優(yōu)化和全局優(yōu)化方法，為超構表面設計提供更多可能。

應用前景
超構表面通過精確控制光的相位、振幅和偏振，在光學成像、光通信、光傳感、光學器件和光學信息處理等眾多領域展現(xiàn)出廣泛應用前景，為光學和光子學領域帶來新的發(fā)展機遇。

色散型成像

消色差成像
光線通過微結構成像時，超構表面可在亞波長尺度引入有效折射率和色散，通過合理設置結構和參數(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課題組設計的多波長消色差超構透鏡、寬帶消色差超構透鏡等，在不同波長下實現(xiàn)消色差，提高了光學系統(tǒng)性能，對診斷、檢測和分析等應用具有重要意義。

光譜成像
光譜成像技術發(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，工作機理可分為掃描成像和快照成像。Faraji-Dana等的線掃描折疊超構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表面光譜成像儀可重構入射光譜；McClung等的多孔徑平行超構表面快照成像系統(tǒng)能在小體積內(nèi)同時獲取多個圖像通道；Lin等結合超構表面和深度學習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。超構表面為光譜成像系統(tǒng)帶來新設計思路，推動其在多領域的應用發(fā)展。

超構表面偏振成像

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行描述。Jones矢量法利用兩個正交分量構成列矩陣描述偏振態(tài)；Stokes矢量通過四個參數(shù)解釋偏振態(tài)，其偏振度可區(qū)分不同偏振類型。

偏振成像進展
基于超構表面結構的偏振器件集成度高，推動偏振成像技術向小型化發(fā)展。Arbabi等設計的分焦平面偏振相機實現(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理論框架，通過設計超構表面衍射光柵實現(xiàn)偏振成像；2022年Zhang等提出無串擾的寬帶消色差全Stokes成像偏振器解決串擾問題；2023年Huang等的交錯式金屬超構透鏡實現(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超構透鏡可單次拍攝獲取光譜和橢圓偏振度等信息。超構表面偏振成像技術仍面臨挑戰(zhàn)，需科研人員深入研究。

三維成像
主動式三維成像
飛行時間法：傳統(tǒng)ToF產(chǎn)品存在視場受限、功耗大、分辨率低等問題，超構表面可改善。Sun等使用基于TCO的電可調(diào)有源超構表面實現(xiàn)10m處3D深度成像，三星公司改進實現(xiàn)光束掃描功能，Chen等開發(fā)基于超構表面透鏡陣列的半固體微機械光束掃描系統(tǒng)，Stelinga等利用多模光纖實現(xiàn)接近視頻幀率的三維成像，為相關應用帶來新可能。

結構光三維成像技術：利用結構光原理，超構表面克服傳統(tǒng)光學元件局限。Li等提出的Hermitian共軛超構表面生成全空間隨機點云，輔助結構光3D成像；Ni等實現(xiàn)大視場結構光投影；Kim等實現(xiàn)全空間結構光投影和三維成像，并展示增強現(xiàn)實眼鏡制造可行性。

被動式三維成像技術
雙目視差三維成像：傳統(tǒng)雙目機器視覺系統(tǒng)存在問題，超構表面可改善。Liu等提出基于新型雙目GaN超構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，超構表面實現(xiàn)透鏡會聚功能且具高分辨率、低損耗優(yōu)點。Lin等制備消色差超構透鏡陣列實現(xiàn)寬帶連續(xù)無色差全彩光場成像；Holsteen等設計多功能光場超構表面實現(xiàn)三維單粒子跟蹤；Liu等提出超構透鏡陣列實現(xiàn)緊湊型像差校正的三維定位，在多個領域有應用潛力。

計算光學成像
后端成像
基于超構表面的后端成像技術可處理和分析多維度信息。Colburn等利用雙孔徑超構表面實現(xiàn)場景被動測距和重建；Guo等設計的深度傳感器利用PSF測量深度；Hua等提出的超緊湊光場光譜成像技術結合超構透鏡陣列與傳感器，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現(xiàn)活動三維定位和成像；Li等展示的機器學習可編程超構表面成像器可在復雜場景實現(xiàn)高質(zhì)量成像和目標識別，為多領域帶來應用前景。

端對端成像
聯(lián)合優(yōu)化端對端成像是計算成像范式。Tseng等提出全可微學習框架展示高質(zhì)量可見光成像超構表面；Lin等提出單次多通道超構表面成像聯(lián)合設計方法，可從單色圖像提取多通道信息；Ma等聯(lián)合統(tǒng)計機器學習模型實現(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。

先進應用與前景
AR/VR
超構表面可改善AR/VR近眼顯示系統(tǒng)。Lee等提出超構表面全彩AR近眼顯示器，Capasso團隊設計RGB消色差超構透鏡，Li等提出反射型超構透鏡，Rolland研究團隊提出Metaform技術，Lan等設計隱形眼鏡式超構表面，Tang等提出動態(tài)可調(diào)AR顯示系統(tǒng)。目前超構表面在AR/VR中起補充或替代傳統(tǒng)光學元件作用，未來相關光學元件將向更小、更輕、更薄發(fā)展。

光纖/光波導
超構表面集成在光波導結構上可提升性能。Li等制備梯度超構表面結構實現(xiàn)多種器件功能；Capasso課題組設計超構透鏡新型光纖導管解決傳統(tǒng)光學OCT技術局限；Zhong等實現(xiàn)千兆赫級可切換的波前整形；Wetzstein課題組提出基于超構表面波導的全彩色3D全息AR顯示技術，提高視覺質(zhì)量。

超分辨成像
超構表面可提高成像分辨率。Cheng等實現(xiàn)超振蕩的超分辨成像；Zhao等利用深度學習實現(xiàn)目標感知和超分辨率成像；Guo 等展示雙波段遠場超分辨透鏡設計方法。超構表面在超分辨成像領域潛力巨大，可應用于光學顯微鏡等領域。

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

結論與展望
超構表面技術在光學成像領域取得顯著進展，在多種成像方式中展現(xiàn)出巨大潛力，廣泛應用于多個領域，推動了相關技術的發(fā)展和進步。同時，超構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。

但隨著技術發(fā)展，未來有望設計出功能性更豐富的超構表面，結合納米壓印技術與電子束光刻可降低成本，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，推動其在更多場景的應用，進一步革新光學成像技術。

聲明：本文僅用作學術目的。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.超構表面賦能多維度光學成像研究（特邀）[J].激光與光電子學進展,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.