超構透鏡（Metalenses）是近年來基于超構表面（Metasurfaces）開發的一類新型先進的平面光學器件，能夠以極高的自由度對入射光的振幅、相位和偏振進行調控，以滿足各類應用需求。
據麥姆斯咨詢報道，近期，中國計量大學井緒峰教授團隊在Electronics期刊上發表了題為“Review of Planar Optical System: Lens Based on Metasurfaces”的綜述文章。文中系統綜述了超構透鏡領域的最新研究進展。首先闡述了超構透鏡的基本物理原理與調制機制；隨后根據構成材料將其分為等離激元型與介質型兩類，根據功能又將其劃分為可調諧超構透鏡、寬視場超構透鏡及消色差超構透鏡，并重點闡述了該領域的若干最新研究成果。本文旨在對超構透鏡技術進行系統性綜述，同時為先進光學系統提出新的設計范式。
I 基本原理
2011年，哈佛大學卡帕索（Capasso）團隊首次在兩種介質界面處引入突變相位，并基于費馬原理（Fermat’s principle）從一維視角推導出異常折射與反射現象，提出了廣義斯涅爾定律（Generalized Snell’s law）。該定律為光場調控提供了新的自由度，能夠在極小尺度上實現光波前相位與振幅的調控，對變換光學與集成光學具有重要意義，推動了光學透鏡的輕薄化與集成化發展，為二維超構表面的設計奠定了基礎。
用于推導廣義斯涅爾折射定律的示意圖
相位梯度法是超構透鏡設計與表征的核心技術之一，其基本原理是通過在界面處引入相位突變，實現光的異常反射與折射。基于廣義斯涅爾定律，相位梯度能夠為透射和反射光子提供有效的波矢分量，使光沿預設方向傳播。該方法的優勢在于能夠突破傳統衍射光學元件的局限，實現高效的單光束調控，并避免產生多個衍射級次。
利用超構表面實現電磁波前調控的主要原理大致可分為三類：共振相位、傳播相位和幾何相位。
（a）電偶極子與磁偶極子的場分布；（b）通過調控共振型超構原子尺寸實現振幅與相位調制；（c）非晶硅圓柱的磁能分布。（d）龐加萊球幾何相位示意圖。
II 等離激元超構透鏡
等離激元超構透鏡根據其原理與特性，可分為表面等離激元超構透鏡（spp-based metalenses）和局域表面等離激元共振超構透鏡（lspr-based metalenses）兩大類。表面等離激元（SPP）是沿金屬與介質界面傳播的電磁波。表面等離激元超構透鏡的核心在于通過設計納米結構激發并調控SPP的傳播相位，實現倏逝波的恢復與放大。局域表面等離激元共振（LSPR）可通過控制金屬納米結構的尺寸與幾何形狀，實現共振頻率可調，并借助局域場增強實現亞波長尺度的光場操控。與傳播型表面等離激元相比，LSPR具有更優異的場局域特性與更高的設計靈活性。
等離激元超構透鏡
III 介質超構透鏡
介質超構透鏡是一種基于亞波長共振納米結構的新型光學元器件，其核心原理是通過設計高折射率介質納米結構，在界面處引入相位突變，從而調控電磁波的振幅、相位及偏振分量，實現波前的完全操控。與依賴金屬材料且存在較高歐姆損耗的等離激元超構透鏡相比，介質超構透鏡能夠避免光頻段下的高歐姆損耗。截至目前，根據對光場相位的調控機制，介質超構透鏡大致可分為三類：潘查拉特南-貝里（Pancharatnam–Berry）相位型介質超構透鏡、高對比度型介質超構透鏡和惠更斯型介質超構透鏡。不同機制的超構表面在設計上也存在差異。
介質超構透鏡
IV 可調諧超構透鏡
可調諧超構透鏡憑借其超薄、平面化、可集成、動態響應的特性，為實現無需機械運動的快速、緊湊型電控或光控變焦提供了革命性方案，其基本原理是通過外部刺激動態改變構成超構表面的亞波長結構單元的物理屬性（例如折射率、取向、形狀、位置等），從而實時調控入射光波前的相位分布，實現焦距的動態可調性。根據納米結構的調諧機制不同，可分為光調諧、電調諧和機械調諧三大類。
可調諧超構透鏡
V 大視場超構透鏡
在成像系統中，透鏡的視場（FOV）是成像的關鍵指標之一。超構透鏡因其亞波長結構單元具備精確的波前調控能力，為實現輕量化、大視場光學系統提供了新路徑。在實際應用中，能夠實現大視場成像的超構透鏡更具吸引力且市場需求迫切。近期的研究進展提升了其效率與功能，使超構表面衍射光學元件的性能能夠與傳統光學元件相當甚至更優。通過諸如曲面基底設計和雙層結構優化等方案，大視場超構透鏡將視場角擴展至170°，并驗證了其在增強現實/虛擬現實顯示及平面相機等領域的應用潛力。
大視場超構透鏡
VI 消色差超構透鏡
色差是超構透鏡成像中主要的像差來源。根據廣義斯涅爾定律中相位梯度決定光束偏轉方向的原理，超構透鏡具有無球差的特性，但由于聚焦所需相位隨波長變化而產生較大色差，即便這些器件由弱色散材料構成，其色差問題依然非常顯著。消色差超構透鏡通過多波長設計、垂直堆疊結構、雙折射單元調控等策略，將消色差帶寬從離散波長逐步拓展至超寬帶，為全色成像提供了可能。
消色差超構透鏡
總體而言，超構透鏡憑借其平面化、微型化、高集成度以及對光波相位、振幅和偏振的精確調控能力，在替代傳統透鏡、構建新一代緊湊型光學系統方面展現出巨大潛力。
目前，超構透鏡的主要局限包括成本問題與核心性能問題。在成本方面，厘米級元件的精度與納米級元件的精度難以匹配，需要極高的成本；同時，超構透鏡相關材料的加工對現有工業加工基礎提出了進一步的需求與挑戰。例如較為常見的深紫外光刻、電子束刻蝕與原子層沉積技術，雖能滿足納米級的加工精度要求，但加工區域僅局限于毫米級，且成本極高。隨著新型制造工藝技術的發展與進步，相信在不久的將來，能夠開發出可實現大尺寸、高性能、工業流水線式生產的超構透鏡技術。
此外，由于超構透鏡屬于衍射成像元件，色散問題仍是其走向實際應用的主要障礙。現階段消色差超構透鏡仍存在帶寬有限、大口徑下效率降低等問題。亟需進一步探索新的色散調控機制（例如超構材料等效參數設計、多物理場耦合調控等），并結合人工智能（AI）輔助優化算法，實現寬帶寬（例如可見光至近紅外）、大口徑、高效率的消色差聚焦，以滿足全色成像與光譜分析等應用需求。開發更大帶寬的超構透鏡是未來的研究趨勢之一。
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/electronics14214322
