光学超构表面技术作为一种全新的平面光学技术，近年来取得了显著的进展，为光学成像开辟了广泛的应用前景。超构表面在对波前进行精确调控的同时，具有多功能、易于集成、轻薄和紧凑的优势。这些创新性的优势为基于超构表面的多维光场成像技术和计算成像方面提供了新的可能性。同时，超构表面可用于AR/VR、光纤、光波导等前沿应用，以及超分辨成像、量子成像等创新性成像技术。在未来，超构表面将具有更强的灵活性和适应性，可满足各种复杂应用场景的需求，在光学成像领域扮演日益重要的角色。
据麦姆斯咨询报道，南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室的科研团队回顾了光学成像的发展历程，着重介绍了超构表面多维光场调控在色散型成像、偏振成像、三维成像，以及计算成像方面的研究进展。随后探讨了AR/VR、光纤/光波导、超分辨成像、量子成像，以及超构表面在商业化领域的应用。最后，对超构表面先进成像工作进行了总结，并展望了未来的发展方向。相关研究内容以“超构表面赋能多维度光学成像研究（特邀）”为题发表在《激光与光电子学进展》期刊上。
超构表面发展进程
自菲涅耳衍射定律提出以来，几何光学得到了飞速发展，为光学器件的设计奠定了坚实的基础。例如，光学棱镜、菲涅耳透镜和光栅等光学元件被广泛应用于显微镜、望远镜、相机、投影仪等器件。
超构表面主要有3种相位调控机制：共振相位、几何相位和传输相位。共振相位超构表面利用共振效应，当电磁波和纳米结构相互作用时，结构单元会显著增强局部电磁场，引起相位和振幅的显著变化，实现超构表面在特定的频率范围内的相位调控。几何相位是指在一个系统从初始态进行周期性循环并回到初始态时，终态与初始态之间相差一个相位因子的现象。这个相位因子仅与系统的循环路径相关，与其他系统参数无关。传输相位是由介质的折射率和厚度共同决定的，可以通过改变纳米柱的尺寸来达到控制传输相位的目的。
图1 超构表面发展进程
这3种相位调控机制根据特定的应用需求，计算单元结构的电磁响应，并按照一定规律排列单元结构，改变人工微结构的几何参数，可以实现自上而下的相位调控。但在有些场景下，这3种设计方法无法达到预期效果。而逆向设计主要是先确定系统调控目标所需要求与量化特征，选择合适的优化算法，最后得到优化后的超构表面结构。主要的逆向设计方法包括梯度优化方法和全局优化方法。通过正向和逆向设计超构表面可以对光的相位、振幅和偏振进行精确控制，包括波前调控、偏振控制和相位调制等功能，其应用涵盖光学成像、光通信、光传感、光学器件和光学信息处理等领域，为光学和光子学等领域带来广泛的应用前景。
色散型成像
光学色散与材料和结构相关，材料折射率随入射光频率的变化而改变，不同波长的光发生不同程度的偏折，引起光学系统像点位置的变化，不同颜色的边缘会产生彩虹畸变，图像的分辨率受到影响。在衍射光学系统中，结构色散效应尤为重要。结构色散是光通过具有微纳米结构的光学元件时，发生的衍射和干涉效应引起的。这些结构使光线弯曲并发生干涉，产生色差效应。然而，在光程较短的情况下，可以忽略材料的色散性质，主要关注结构色散的影响。在光谱成像中，色散中的信息可以被有效利用。通过设计特定的微结构，光学系统能够分离和分析不同波长的光，获取目标物体的光谱信息。
消色差成像是当光线通过微结构时，会发生特定的相位延迟和振幅变化，使得光线在焦平面上聚焦，从而进行成像。研究人员利用亚波长结构对色散的调控能力，在离散的波长上实现消色差。
图2 基于超构表面的消色差透镜
利用色散中的信息进行光谱成像是一种创新的技术手段，能够显著提升成像系统的分辨率。光谱成像可根据光谱通道数分为多光谱成像和高光谱成像，多光谱成像一般为3~10个光谱通道，高光谱成像仪会捕获图像中每个点的光谱数据，通常有数十个或者数百个光谱通道。根据不同的工作机理，光谱成像技术可分为扫描成像和快照成像。扫描式光谱成像仪需要多次拍摄才能获取光谱中数据信息，快照光谱成像无需扫描机制即可在单次拍摄中获取三维数据立方。
图3 基于超构表面的光谱成像仪和成像原理
超构表面偏振成像
当电磁波穿过晶体时，通常会分解为两束折射光线，发生双折射现象。由于晶体材料的各向异性，这两束折射光线的夹角取决于光线的传播方向和偏振状态。目前主要通过琼斯（Jones）矢量法、斯托克斯（Stokes）矢量法和庞加莱球（Poincare sphere）表示法对偏振光进行描述。
图4 基于超构表面的偏振成像
三维成像
结构光、激光雷达等三维成像技术已实现更准确的三维成像和表征。目前三维成像技术根据成像模式可分为基于光源调制的主动三维成像和基于立体视觉的被动三维成像两类。主动式三维成像技术涵盖了飞行时间（ToF）、结构光等方法。这些技术通过主动照明方式获取目标物体的立体信息，以实现精确的三维重建和数据采集。被动式三维成像主要包括基于立体视觉的双目三维成像和基于光场相机的三维成像。
ToF是一种基于光速不变原理，通过测量光的传播时间来获取目标深度信息的方法。目前传统的ToF产品存在视场受限、功耗大、分辨率低等问题。超构表面亚波长结构可实现对光的波前的精确调节，从而获得更高的精确度和更灵活的调控。光束扫描的主动超构表面器件通常将超构表面与活性介质结合，如透明导电氧化物（TCO）、微机电系统（MEMS）等。
图5 超构表面实现结构光三维成像
结构光三维成像技术是利用结构光原理进行三维物体扫描和成像的技术。通过使用结构光投影仪，将编码的光条纹投影到待测物体表面上，再通过相机等设备拍摄物体表面的光条纹图案，并分析光条纹图案，即可获得物体表面的深度信息，从而实现对物体的三维成像。点云投射技术是结构光三维成像技术中的重要方法，用于获取物体表面的三维结构信息。传统点云投射使用衍射光学元件来实现，体积大、结构复杂，不利于集成和微型化。且在大视场角下容易受到衍射阶次杂散光的影响，导致衍射效率下降。
被动式三维成像技术通过透镜会聚光线到图像传感器进行成像，再对图像传感器采集到的数据进行处理获取三维信息。与主动式三维成像技术相比，被动式三维成像不需要复杂的激光器和接收器等设备辅助，同时具有隐蔽性好、受外界干扰小的特点。目前被动式三维成像主要包括基于立体视觉的双目三维成像和基于光场相机的三维成像。双目立体视觉模仿人类视觉系统对环境进行三维感知，通过对校正后的左右图像进行立体匹配获取两幅图像的视差，再根据三角测量原理计算出场景的深度。光场三维成像技术是利用微透镜阵列器件，将目标三维光场的空间位置信息和方向信息投影为二维像面上的光场信息，再利用数字重建方法进行三维图像重建的光学信息处理技术。
图6 被动式三维成像
随着安防监控、目标检测识别等众多领域对远距离、高精度、高维度的目标信息的需求增加，实现远距离、无损、高精度的三维成像成为人们日益追求的方向，而光场三维成像技术也正逐渐成为满足这些需求的重要方法。光场三维成像是一种典型的透镜阵列三维成像技术，通过在镜头和探测器之间嵌入微透镜阵列，将光线分散调制到图像传感器的不同位置，然后基于获取的传感器数据拼接成不同视角的图像阵列，使用算法获取光线的强度和方向信息。传统光场成像一般使用多个相机，体系庞大不利于集成。然而，超构表面实现透镜会聚功能的同时，具有高分辨率、低损耗的优点。
计算光学成像
研究人员近年来开始将超构表面技术与计算机技术相结合，旨在实现光学器件的小型化，并将计算机视觉算法和技术应用于超构表面的设计中，以实现更精确和高效的光学功能。传统的成像方法依赖于光学系统和传感器直接映射和捕获目标场景信息，通过记录每个位置的光强度来获得图像。计算成像提出了一种不同的思路，将计算引入前端的设计和捕获图像后的重建过程中。通过算法对超构表面的参数进行优化，以实现所需的功能，或者利用机器学习等进行大规模数据训练，以设计相应的超构表面结构。同样地，在捕获数据后，利用算法对其进行进一步分析和处理，实现对图像的更复杂、更通用的重建和增强，使得成像不再局限于场景的一对一映射关系。并可以利用点扩散函数（PSF）工程、凸优化和深度学习等技术，从低维的光场数据中提取更高维度的信息，扩展成像技术的能力。
基于超构表面的后端成像技术在处理和分析获取的多维度信息方面具有广泛的应用，可以减小图像噪声，实现高分辨率图像的生成或三维图像的重建。
图7 超构表面的后端成像
传统的计算成像研究分别集中在采集系统和重建算法的设计上，近年来，研究者们开始将目光转向联合优化，即利用端对端的设计框架同时优化采集系统和重建算法，以实现更好的成像性能。联合优化端对端成像是一种计算成像的范式，它将光学前端和计算成像后端的优化融合在一起，同时优化整个系统的设计和参数。这种做法可以综合考虑光学前端和图像处理后端之间的相互作用和影响，通过联合优化这两个组件，系统可以自动学习和适应不同的成像任务和场景，实现更好的成像效果。
图8 基于端对端的超构表面
先进应用与前景
超构表面技术作为一种创新性的光学技术，不断推动着传感、通信与光学成像等领域的发展。本节探讨超构表面在AR和VR、光波导等领域的前沿应用、在超分辨成像和量子成像方面的突破，以及超构表面科研成果的商业化孵化。超构表面的独特光学特性能够极大地提升AR和VR显示设备的图像质量，从而提供更为沉浸的用户体验。在光纤通信和光波导中，超构表面可以实现更高效的光信号传输和操控，提高通信速度和带宽。此外，超构表面应用在超分辨成像和量子成像中，能够突破传统光学显微镜的分辨率极限，实现传统成像技术无法达到的精度和灵敏度。
图9 AR/VR显示系统
图10 光纤/光波导的应用
图11 基于超构表面的超分辨成像与量子成像
总结和展望
这项研究系统回顾了近年来超构表面技术在光学成像领域的发展历程和最新进展。超构表面光学作为一种全新的平面光学技术，超构表面凭借其独特的电磁响应特性，在过去十年中取得了巨大的发展和进步，为先进成像系统等开拓了广阔前景。超构表面实现了在相位、色散、偏振、聚焦等光学功能上的灵活调控，展现了其在色散型成像、偏振成像、计算成像和三维成像的巨大潜力，可以应用在不同领域。如在AR/VR中，超构表面能够实现大视角和宽视场的光学效果，显著减小AR/VR设备的体积和质量，获得更广阔的视野和更自然的观看体验。在光波导技术中，超构表面可用于高效地引导和控制光波传输，从而提高光通信系统的性能。在超分辨成像中，超构表面优异的性能可以打破传统光学系统的衍射极限，实现精细成像并且应用在各个领域。在非经典光的应用中，超构表面在量子成像中可以精确操控光子的量子态，利用量子特性来获取图像信息，实现高灵敏度和高精度成像。
超构表面在成像领域仍然具有巨大的潜力，随着材料科学和纳米制造技术的不断进步，未来可能设计出功能性更丰富的超构表面，从而实现更高的分辨率和更大的视场。同时，还能将纳米压印技术与电子束光刻应用到超构表面的制作当中，降低生产成本，实现高效、大规模的生产，推动超构表面在更多场景中的应用。在未来，有理由相信超构表面将进一步推动光学成像技术的革新，为这一前沿研究领域注入新的活力。
DOI: 10.3788/LOP241403
