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控的同時，具有多功能、易于集成、輕薄和緊湊的優勢。這些創新性的優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。
據麥姆斯咨詢報道，南京大學物理學院固體微結構物理國家重點實驗室的科研團隊回顧了光學成像的發展歷程，著重介紹了超構表面多維光場調控在色散型成像、偏振成像、三維成像，以及計算成像方面的研究進展。隨后探討了AR/VR、光纖/光波導、超分辨成像、量子成像，以及超構表面在商業化領域的應用。最后，對超構表面先進成像工作進行了總結，并展望了未來的發展方向。相關研究內容以“超構表面賦能多維度光學成像研究（特邀）”為題發表在《激光與光電子學進展》期刊上。
超構表面發展進程
自菲涅耳衍射定律提出以來，幾何光學得到了飛速發展，為光學器件的設計奠定了堅實的基礎。例如，光學棱鏡、菲涅耳透鏡和光柵等光學元件被廣泛應用于顯微鏡、望遠鏡、相機、投影儀等器件。
超構表面主要有3種相位調控機制：共振相位、幾何相位和傳輸相位。共振相位超構表面利用共振效應，當電磁波和納米結構相互作用時，結構單元會顯著增強局部電磁場，引起相位和振幅的顯著變化，實現超構表面在特定的頻率范圍內的相位調控。幾何相位是指在一個系統從初始態進行周期性循環并回到初始態時，終態與初始態之間相差一個相位因子的現象。這個相位因子僅與系統的循環路徑相關，與其他系統參數無關。傳輸相位是由介質的折射率和厚度共同決定的，可以通過改變納米柱的尺寸來達到控制傳輸相位的目的。
圖1 超構表面發展進程
這3種相位調控機制根據特定的應用需求，計算單元結構的電磁響應，并按照一定規律排列單元結構，改變人工微結構的幾何參數，可以實現自上而下的相位調控。但在有些場景下，這3種設計方法無法達到預期效果。而逆向設計主要是先確定系統調控目標所需要求與量化特征，選擇合適的優化算法，最后得到優化后的超構表面結構。主要的逆向設計方法包括梯度優化方法和全局優化方法。通過正向和逆向設計超構表面可以對光的相位、振幅和偏振進行精確控制，包括波前調控、偏振控制和相位調制等功能，其應用涵蓋光學成像、光通信、光傳感、光學器件和光學信息處理等領域，為光學和光子學等領域帶來廣泛的應用前景。
色散型成像
光學色散與材料和結構相關，材料折射率隨入射光頻率的變化而改變，不同波長的光發生不同程度的偏折，引起光學系統像點位置的變化，不同顏色的邊緣會產生彩虹畸變，圖像的分辨率受到影響。在衍射光學系統中，結構色散效應尤為重要。結構色散是光通過具有微納米結構的光學元件時，發生的衍射和干涉效應引起的。這些結構使光線彎曲并發生干涉，產生色差效應。然而，在光程較短的情況下，可以忽略材料的色散性質，主要關注結構色散的影響。在光譜成像中，色散中的信息可以被有效利用。通過設計特定的微結構，光學系統能夠分離和分析不同波長的光，獲取目標物體的光譜信息。
消色差成像是當光線通過微結構時，會發生特定的相位延遲和振幅變化，使得光線在焦平面上聚焦，從而進行成像。研究人員利用亞波長結構對色散的調控能力，在離散的波長上實現消色差。
圖2 基于超構表面的消色差透鏡
利用色散中的信息進行光譜成像是一種創新的技術手段，能夠顯著提升成像系統的分辨率。光譜成像可根據光譜通道數分為多光譜成像和高光譜成像，多光譜成像一般為3~10個光譜通道，高光譜成像儀會捕獲圖像中每個點的光譜數據，通常有數十個或者數百個光譜通道。根據不同的工作機理，光譜成像技術可分為掃描成像和快照成像。掃描式光譜成像儀需要多次拍攝才能獲取光譜中數據信息，快照光譜成像無需掃描機制即可在單次拍攝中獲取三維數據立方。
圖3 基于超構表面的光譜成像儀和成像原理
超構表面偏振成像
當電磁波穿過晶體時，通常會分解為兩束折射光線，發生雙折射現象。由于晶體材料的各向異性，這兩束折射光線的夾角取決于光線的傳播方向和偏振狀態。目前主要通過瓊斯（Jones）矢量法、斯托克斯（Stokes）矢量法和龐加萊球（Poincare sphere）表示法對偏振光進行描述。
圖4 基于超構表面的偏振成像
三維成像
結構光、激光雷達等三維成像技術已實現更準確的三維成像和表征。目前三維成像技術根據成像模式可分為基于光源調制的主動三維成像和基于立體視覺的被動三維成像兩類。主動式三維成像技術涵蓋了飛行時間（ToF）、結構光等方法。這些技術通過主動照明方式獲取目標物體的立體信息，以實現精確的三維重建和數據采集。被動式三維成像主要包括基于立體視覺的雙目三維成像和基于光場相機的三維成像。
ToF是一種基于光速不變原理，通過測量光的傳播時間來獲取目標深度信息的方法。目前傳統的ToF產品存在視場受限、功耗大、分辨率低等問題。超構表面亞波長結構可實現對光的波前的精確調節，從而獲得更高的精確度和更靈活的調控。光束掃描的主動超構表面器件通常將超構表面與活性介質結合，如透明導電氧化物（TCO）、微機電系統（MEMS）等。
圖5 超構表面實現結構光三維成像
結構光三維成像技術是利用結構光原理進行三維物體掃描和成像的技術。通過使用結構光投影儀，將編碼的光條紋投影到待測物體表面上，再通過相機等設備拍攝物體表面的光條紋圖案，并分析光條紋圖案，即可獲得物體表面的深度信息，從而實現對物體的三維成像。點云投射技術是結構光三維成像技術中的重要方法，用于獲取物體表面的三維結構信息。傳統點云投射使用衍射光學元件來實現，體積大、結構復雜，不利于集成和微型化。且在大視場角下容易受到衍射階次雜散光的影響，導致衍射效率下降。
被動式三維成像技術通過透鏡會聚光線到圖像傳感器進行成像，再對圖像傳感器采集到的數據進行處理獲取三維信息。與主動式三維成像技術相比，被動式三維成像不需要復雜的激光器和接收器等設備輔助，同時具有隱蔽性好、受外界干擾小的特點。目前被動式三維成像主要包括基于立體視覺的雙目三維成像和基于光場相機的三維成像。雙目立體視覺模仿人類視覺系統對環境進行三維感知，通過對校正后的左右圖像進行立體匹配獲取兩幅圖像的視差，再根據三角測量原理計算出場景的深度。光場三維成像技術是利用微透鏡陣列器件，將目標三維光場的空間位置信息和方向信息投影為二維像面上的光場信息，再利用數字重建方法進行三維圖像重建的光學信息處理技術。
圖6 被動式三維成像
隨著安防監控、目標檢測識別等眾多領域對遠距離、高精度、高維度的目標信息的需求增加，實現遠距離、無損、高精度的三維成像成為人們日益追求的方向，而光場三維成像技術也正逐漸成為滿足這些需求的重要方法。光場三維成像是一種典型的透鏡陣列三維成像技術，通過在鏡頭和探測器之間嵌入微透鏡陣列，將光線分散調制到圖像傳感器的不同位置，然后基于獲取的傳感器數據拼接成不同視角的圖像陣列，使用算法獲取光線的強度和方向信息。傳統光場成像一般使用多個相機，體系龐大不利于集成。然而，超構表面實現透鏡會聚功能的同時，具有高分辨率、低損耗的優點。
計算光學成像
研究人員近年來開始將超構表面技術與計算機技術相結合，旨在實現光學器件的小型化，并將計算機視覺算法和技術應用于超構表面的設計中，以實現更精確和高效的光學功能。傳統的成像方法依賴于光學系統和傳感器直接映射和捕獲目標場景信息，通過記錄每個位置的光強度來獲得圖像。計算成像提出了一種不同的思路，將計算引入前端的設計和捕獲圖像后的重建過程中。通過算法對超構表面的參數進行優化，以實現所需的功能，或者利用機器學習等進行大規模數據訓練，以設計相應的超構表面結構。同樣地，在捕獲數據后，利用算法對其進行進一步分析和處理，實現對圖像的更復雜、更通用的重建和增強，使得成像不再局限于場景的一對一映射關系。并可以利用點擴散函數（PSF）工程、凸優化和深度學習等技術，從低維的光場數據中提取更高維度的信息，擴展成像技術的能力。
基于超構表面的后端成像技術在處理和分析獲取的多維度信息方面具有廣泛的應用，可以減小圖像噪聲，實現高分辨率圖像的生成或三維圖像的重建。
圖7 超構表面的后端成像
傳統的計算成像研究分別集中在采集系統和重建算法的設計上，近年來，研究者們開始將目光轉向聯合優化，即利用端對端的設計框架同時優化采集系統和重建算法，以實現更好的成像性能。聯合優化端對端成像是一種計算成像的范式，它將光學前端和計算成像后端的優化融合在一起，同時優化整個系統的設計和參數。這種做法可以綜合考慮光學前端和圖像處理后端之間的相互作用和影響，通過聯合優化這兩個組件，系統可以自動學習和適應不同的成像任務和場景，實現更好的成像效果。
圖8 基于端對端的超構表面
先進應用與前景
超構表面技術作為一種創新性的光學技術，不斷推動著傳感、通信與光學成像等領域的發展。本節探討超構表面在AR和VR、光波導等領域的前沿應用、在超分辨成像和量子成像方面的突破，以及超構表面科研成果的商業化孵化。超構表面的獨特光學特性能夠極大地提升AR和VR顯示設備的圖像質量，從而提供更為沉浸的用戶體驗。在光纖通信和光波導中，超構表面可以實現更高效的光信號傳輸和操控，提高通信速度和帶寬。此外，超構表面應用在超分辨成像和量子成像中，能夠突破傳統光學顯微鏡的分辨率極限，實現傳統成像技術無法達到的精度和靈敏度。
圖9 AR/VR顯示系統
圖10 光纖/光波導的應用
圖11 基于超構表面的超分辨成像與量子成像
總結和展望
這項研究系統回顧了近年來超構表面技術在光學成像領域的發展歷程和最新進展。超構表面光學作為一種全新的平面光學技術，超構表面憑借其獨特的電磁響應特性，在過去十年中取得了巨大的發展和進步，為先進成像系統等開拓了廣闊前景。超構表面實現了在相位、色散、偏振、聚焦等光學功能上的靈活調控，展現了其在色散型成像、偏振成像、計算成像和三維成像的巨大潛力，可以應用在不同領域。如在AR/VR中，超構表面能夠實現大視角和寬視場的光學效果，顯著減小AR/VR設備的體積和質量，獲得更廣闊的視野和更自然的觀看體驗。在光波導技術中，超構表面可用于高效地引導和控制光波傳輸，從而提高光通信系統的性能。在超分辨成像中，超構表面優異的性能可以打破傳統光學系統的衍射極限，實現精細成像并且應用在各個領域。在非經典光的應用中，超構表面在量子成像中可以精確操控光子的量子態，利用量子特性來獲取圖像信息，實現高靈敏度和高精度成像。
超構表面在成像領域仍然具有巨大的潛力，隨著材料科學和納米制造技術的不斷進步，未來可能設計出功能性更豐富的超構表面，從而實現更高的分辨率和更大的視場。同時，還能將納米壓印技術與電子束光刻應用到超構表面的制作當中，降低生產成本，實現高效、大規模的生產，推動超構表面在更多場景中的應用。在未來，有理由相信超構表面將進一步推動光學成像技術的革新，為這一前沿研究領域注入新的活力。
DOI: 10.3788/LOP241403
