光学超构表面以其在亚波长尺度下精确塑造光场的能力，开辟了设计高分辨率、多功能、超紧凑光学器件的新范式。立足于多维光场的视角，全面回顾了超构表面在推进下一代光学成像与显示系统方面的创新性思路与进展。
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结合相关智能算法，综述了超构表面在多维成像、全息显示以及这些技术交叉领域的应用，探讨了其在计算成像、超分辨成像、可调谐显示技术，以及与光学微操控和量子技术协同发展方面的潜力。最后，对超构表面技术在成像与显示领域的广泛应用前景及未来研究方向进行了展望。相关研究内容以“基于多维光场调控的超构表面先进成像与显示（特邀）”为题发表在《光学学报》期刊上。
超构表面成像与显示基础
光学成像与显示的精髓在于对光场进行精密调控的技术，反映在超构表面中，则需要通过设计每个单元结构来实现目标光场。以最具代表性的成像为例，通过在超构表面上编码光场聚焦的相位分布，就能将入射光会聚到衍射极限级别的尺寸。另一方面，超构显示技术的核心在于将通过计算获取的全息图的相位信息编码在超构表面上。这项研究从广义斯涅耳定律出发，理论分析聚焦相位的表达形式，推导出任意角度平面波经整形后聚焦到指定位置的通用相位，同时，简要介绍全息相位的计算原理及目前广泛使用的算法，这为显示功能的后续研究做了铺垫。
超构透镜设计：基于广义斯涅耳定律，通过在超构表面的不同介质界面处引入相位梯度引导光束产生多种光学响应，如聚焦光束、涡旋光束以及显示全息图案等。超表面的调控机制主要分为几种类别：共振相位、几何相位、传输相位与混合调控。共振相位与金属共振相关，通过调控纳米柱的不同结构尺寸来实现相位的灵活调控。几何相位的调制与纳米结构的转角存在线性关系，但会受到偏振手性的限制。传输相位的调控基于在介质材料纳米柱中累积的相位来实现，其相位值与纳米柱的折射率、占空比与高度正相关。除此之外，通过结合以上多种相位调制方法，实现了对于波长、偏振、振幅等多个光学维度的调控。通过改变设计参数，结合仿真软件的计算可以获得能够覆盖0~2π的相位延迟，再根据以上相位分布进行编码，完成聚焦超表面的设计。
图1 超表面成像与显示原理及机制
全息编码算法：传统的光学全息术需要复杂的干涉和记录系统以及相同参考光的波前重建系统，如图1（e）所示。随着计算机技术的发展，全息术中的波前信息可以通过数值方法实现，获取的全息图称为计算机生成全息图（CGH），该技术具有高效率和信息处理灵活的特点。生成CGH需要首先计算物波在全息图平面上的复数场或物平面上点的复振幅的离散傅里叶变换（DFT）。其次，利用DTF的离散样本进行编码，生成全息图；最后，利用光源激发该相位面，得到全息图的重建结果，如图1（f）所示。基于此方案，人们提出了许多优化方法来提高重建图像的质量，其中在超表面相位编码中最常用的方法是Gerchberg-Saxton（GS）算法，该方法可获得高质量的全息图。
优化算法
在自上而下设计超表面的过程中，首先正向预测输入超构表面所需要满足的目标相位，结合人工优化纳米结构的尺寸来实现超构表面的目标响应。这种“正向设计”需要计算多种纳米结构以构成庞大的相位库，非常耗费时间与计算资源，并且无法保证设计出来的结果为当下的最优排布。得益于计算机与人工智能领域的发展与长足进步，人们转而使用“逆向设计”的思路来实现某些正向计算无法轻松获得的最优化目标。为了更快、更有效地搜索数据集，逆向设计过程通常包含以下几种：基于梯度的方法（如拓扑优化、伴随方法或水平集方法）或进化方法（例如遗传算法或粒子群算法）。以下介绍了一些具有代表性的超表面智能计算方法，包括拓扑优化算法、遗传算法与神经网络训练方法。
拓扑优化：基于伴随模拟的拓扑优化算法，同时考虑了底层的物理逻辑和优化目标，以寻找目标的最优解，进而高效地设计不规则形状的超表面。拓扑优化从微结构的目标功能出发，首先确定一个初始结构和相关参数，结合光学理论计算结构的电磁响应，如严格耦合波分析（RCWA）方法。在获得结构的电磁响应信息后，利用优化算法（如梯度下降、伴随算法等）与约束信息，通过损失函数计算和当前响应与目标期望差值的比较，在多次循环调整和重新评估参数的过程中使响应更有效地接近最终目标。
图2 超表面逆设计优化算法
遗传算法：针对局部最优解问题，基于启发式搜索的优化算法成为首选，其中比较有代表性的遗传算法是一种基于自然选择和生物进化理论的随机搜索算法，该算法能在搜索过程中获取并积累空间信息，基于自适应控制搜索过程来获得全局最优解，其原理是：首先将需要优化的目标参数进行编码（编码参数称为个体），随机生成包含多组个体的初始种群，通过适应度评价函数，从当前种群中选择最优秀的个体进行“繁殖”，结合交叉与变异产生新的个体并再次评估其适应度，通过迭代过程不断提升种群的平均适应度，寻找最优解或近似最优解。遗传算法通过引入强大的全局随机搜索，解决了局部最优解的问题，同时其具有多目标优化与并行计算的能力，极大降低了超表面结构的设计难度。
神经网络：随着人工智能领域的不断完善，在光学领域中，结合机器学习的优化方法逐渐兴起，它能够在处理复杂系统的同时保持灵活性和再适应性。作为机器学习领域中的重要分支，神经网络是一种受人脑启发的计算模型，由相互连接的节点（或称“神经元”）组成，用于学习和模拟复杂的数据模式。这种强大的计算分析工具拓展了超构表面设计的新维度。不同于之前的数据搜索逆设计方案，神经网络模型从预先收集的数据中自动学习不同光子结构及其光学响应之间的复杂关系，并根据给定的光学目标响应要求自动产生高效率、高保真度的超结构单元。具体来说，输入信号经由权值边在节点间传递，在节点处评估正向以及逆向计算的损失函数，用梯度下降对网络进行训练以调整权值，使输出值尽可能接近期望值。对于一个超表面单元结构，将通过选择多种参数组合正向计算得到的电磁响应数据集作为输入，由此训练出一个神经网络以提供多种输入的光学响应，这个过程为正向网络计算。将该过程反转，通过输入目标响应来获取输出的几何参数，这称为逆向网络。考虑二者结果并结合不同的优化算法，可以实现基于超构表面的多种光学响应设计。
超构透镜的成像研究
基于超构透镜的成像技术已经成为超构表面最重要的应用之一，在平面成像方面，相关工作围绕单个传统透镜无法实现的高性能宽带色散消除，以及用于光谱成像的色散增强等方面，推动了可穿戴设备、集成化成像系统与便携式光谱仪的技术革新。此外，利用多个光学维度实现了光学复用成像，通过改变入射光的多维信息实现不同的光学响应，极大地增加了超构表面的信息容量与功能多样性。在多维成像方面，通过控制光波在不同维度上的传播和交互，如时间、空间和光谱，超构表面为创建更为复杂的成像模式提供了可能，这不仅能够提高图像的信息含量，还能够在特定应用中提供定制化的成像解决方案。
超构表面通过调制结构单元的尺寸转角等参数来实现不同位置的相位累积，通过聚焦相位调制实现超紧凑的平面光学成像的功能。
图3 超表面在色散调控方面的研究
随着片上光学的不断发展，光学功能集成的需求越来越多，如何借助超表面实现多功能复用及多维光场调控成为超表面研究中的重要课题。常见的超表面复用成像的方式有波长复用、偏振复用、光子自旋复用、模式复用、角度复用等，这些复用技术提供了更多的成像选择性和灵活性。
图4 超表面在复用成像方向的研究
Adelson教授提出的光学“全光函数”这一概念完整地描述了空间光场，其核心是通过感知更多的光学自由度获取物体的多维度信息。随后，研究者们增加了偏振维度P以及轨道角动量（OAM）的维度。借助超表面在操控光学自由度方面的优势，可以更好地实现多维成像，尤其是在重建光场信息方面，从而展示更为真实立体的图像，传达更丰富的图像信息。
图5 超表面在多维成像与显示方面的应用
超构显示技术
在现代科技发展的浪潮中，光学显示技术已成为信息展示和人机交互的关键。随着人们对于更高分辨率、更小体积以及更真实体验的追求不断增加，传统的显示技术正面临着日益严峻的挑战。基于超构表面的全息显示技术可在单片的基础上进行多自由度操作，不但可以实现三维的显示效果，还可以极大地扩大显示技术的应用范围，为实现高度真实感的视觉体验提供新的途径。此外，增强现实（AR）和虚拟现实（VR）近眼技术在当今世界扮演着日益重要的角色，然而目前仍存在体积庞大、分辨率较低的问题。超构表面为实现更轻薄、更高效率的近眼显示设备提供了可能，推动了AR和VR技术的进一步发展。以下介绍了基于超构表面的全息显示技术（包括标量全息技术与矢量全息技术），并介绍了三维显示技术（包括三维全息与光场显示）。针对基于超构表面的AR/VR技术（包括全彩显示与波导耦合显示）进行了说明，这推动了AR和VR技术的进一步发展。
光学全息术是一种光场完全波前操纵技术，能够完整地记录光的强度信息与相位信息。传统的标量全息术把光看作只有相位和强度维度的标量场，忽略了光波的偏振信息，导致记录介质的自由度有限。而矢量全息技术能够灵活地调控光场的相位和偏振等分布，实现全息图像调控维度与信息容量的扩展。图6为全息与全息三维显示。
三维显示技术可以模拟空间化的立体场景，被认为是未来先进显示技术的发展目标。它包括记录和再现两个过程：记录过程利用光的干涉原理将光波的振幅和相位信息以干涉条纹的形式储存在感光介质上；再现过程基于衍射原理，当光波照射在记录介质上时，即可重建出原始物光波的振幅和相位信息，实现逼真的立体图再现。
图6 全息与全息三维显示
光场显示是一种真三维显示技术，可以重建自然光场，提供正确的调焦与调谐信息，减轻视觉疲劳。这种技术不仅能够展现物体的形状和位置，还能够呈现物体的纹理和深度，为观看者提供一种沉浸式的视觉体验。光场显示技术的关键在于能够模拟出物体发出或反射的光线，在不同的观察角度下都能呈现出真实的三维效果。基于超表面实现的显示技术可以突破现有各类平面显示手段的局限性，超构表面能够改变通过其表面的光线的相位、振幅、偏振和方向，从而精准地控制光场，这种控制能力使得光场显示能够更加精确地呈现复杂的三维图像，并且能够为不同的观察位置提供不同的视图，从而实现真正的三维显示效果。这种技术在虚拟现实、增强现实、医学成像等领域都有着巨大的应用潜力。
AR/VR器件主要是由微型显示设备和近眼显示光学系统组成，微型显示设备作为光源输出虚拟图像，然后经由近眼显示光学元件成像在人的眼睛前。通常采用的方法是将波导结构作为主体，在此方案中，传输的图像由一端耦合进入波导，经过全内反射后由另一端耦出。近年来一直在发展的超表面协同方案则有望进一步制备集成化AR/VR器件。
图7 光场显示与AR/VR显示
展望与挑战
随着纳米技术的不断发展与设计原理的不断创新优化，基于多维光场调控的超构表面技术正引领着先进成像与显示研究方向。在一些交叉学科领域，研究人员基于超构表面技术开发出创新的解决方案来应对复杂的科学和工程问题，这对于开发新型超构元件和系统至关重要。本文结合其他领域对超构表面成像与显示领域的交叉学科进行了讨论与展望。首先，超构表面技术的快速发展离不开微纳计算成像的辅助，通过结合超表面高分辨率和多维的优势以及后续计算与图像处理，可以获取更多的图像信息。其次，超构表面在突破衍射极限的分辨率方面也取得了一系列进展，利用其高精度和高分辨率的特性来观察生物组织和细胞结构，为生物光子学领域提供了新手段。接下来，超构表面与微操控技术的结合为精密光学控制及微尺度物体的操作带来了新的视角，为微型机器人、精密工业加工等领域带来了创新。另外，总结了一些可调谐的超构表面设计方案，根据不同的应用需求来调整光学特性，增加了系统的适用性和灵活性。最后，考虑了超构表面用于非经典的量子成像与全息。通过利用超构表面的极大优势结合多个领域的协同创新，克服现有的技术障碍，从而推动整个光学成像和显示技术的飞跃式进步。
图8 超表面的计算成像机制
图9 基于超表面的显微成像技术
图10 光学微操控技术
图11 动态可调谐超表面
图12 基于超表面的量子成像与全息
结束语
本文从超构表面的设计原理出发，围绕超构表面在成像与显示方面的基本设计方法，深入报道并讨论了超构表面技术在成像与显示领域的原理与应用，所得结果不仅显示出了超构表面的多功能性，也为实际应用提供了坚实的基础。在成像方面，超构表面可以实现各种先进的成像技术，为人们对复杂场景的理解提供了更丰富的信息，涵盖偏振、光谱、光场等多个维度的信息。在显示方面，从全息显示到光场显示，乃至AR/VR显示的探讨，包括更自然的视觉效果、更低的能耗和更广泛的视角，预示了超构表面技术在未来显示技术中的广阔应用前景。尤其是在AR/VR领域，超构表面技术有望提供更为舒适和真实的用户体验，推动这一领域的商业化进程。
超构表面技术以其超紧凑、多维度光场灵活调控的特点，在更多前沿领域中有极大优势，所涉及的前沿领域包括：通过集成超构表面与计算成像算法，可以获得更丰富的光场信息；通过与生物光子学结合，推动生物成像与微操控技术发展；通过可调谐、可重构的光学材料相结合，使得超构表面能适应不同的环境和需求，实现更高效和精准的成像；通过超构表面与量子技术相结合，可以抗环境噪声，并对图像进行加密处理。总体而言，成像与显示技术的未来趋势将是多样化和智能化的。这些技术的进步不仅能够极大地增强人类对世界的感知，还将对未来一代的工作、教育和娱乐方式产生深远的影响。随着物质科学和制备技术在光学微结构领域取得的显著进展，有理由相信，多维超构光子学技术将作为下一代光学技术的强有力竞争者而崭露头角。
DOI: 10.3788/AOS232006
