研究进展：超构表面赋能多维度光学成像的应用与发展

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。

南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室的郑诗雨团队发表文章，回顾了光学成像发展历程，重点介绍超构表面在多维光场调控成像方面的研究进展，探讨其应用前景，总结成果并展望未来。

起源与基础

几何光学发展为光学器件设计奠定基础，光学元件广泛应用于多种器件。1908年，Lippmann基于昆虫复眼结构提出集成摄影技术，为光场成像技术奠定基础。超构材料因其特殊光学性质引起关注，1968年Veselago发表负折射率材料理论工作，之后相关研究不断推进。2011年，Yu等提出广义斯涅耳定律，超构表面应运而生，其能在亚波长范围内灵活调制光的多种自由度。

相位调控机制

超构表面有共振相位、几何相位和传输相位三种主要相位调控机制。共振相位利用共振效应调控特定频率范围相位，如Sun等设计的金属-介质-金属结构通过等离子体耦合控制相位梯度变化。几何相位与光偏振态密切相关，由几何参数相同、各向异性微结构产生，如Chen等设计的新型平面透镜通过控制结构单元旋转角度调节电磁波。传输相位由介质折射率和厚度共同决定，如Khorasaninejad等利用TiO₂设计超构透镜通过改变纳米柱尺寸实现聚焦。此外，逆向设计成为重要设计方法，包括梯度优化和全局优化方法，为超构表面设计提供更多可能。

应用前景

超构表面通过精确控制光的相位、振幅和偏振，在光学成像、光通信、光传感、光学器件和光学信息处理等众多领域展现出广泛应用前景，为光学和光子学领域带来新的发展机遇。

超构表面发展进程

消色差成像

光线通过微结构成像时，超构表面可在亚波长尺度引入有效折射率和色散，通过合理设置结构和参数，使不同频率光产生不同相位延迟，从而有效提升成像质量。例如Capasso课题组设计的多波长消色差超构透镜、宽带消色差超构透镜等，在不同波长下实现消色差，提高了光学系统性能，对诊断、检测和分析等应用具有重要意义。

基于超构表面的消色差透镜

光谱成像

光谱成像技术发展迅速，根据光谱通道数分为多光谱成像和高光谱成像，工作机理可分为扫描成像和快照成像。Faraji-Dana等的线扫描折叠超构表面高光谱成像仪在特定波长范围工作，性能优异；Yang等的单根纳米线制作的扫描式超构表面光谱成像仪可重构入射光谱；McClung等的多孔径平行超构表面快照成像系统能在小体积内同时获取多个图像通道；Lin等结合超构表面和深度学习的紧凑式快照高光谱成像仪可生成高保真度数据立方体。超构表面为光谱成像系统带来新设计思路，推动其在多领域的应用发展。

基于超构表面的光谱成像仪和成像原理

偏振描述方法

主要通过Jones矢量法、Stokes矢量法和庞加莱球表示法对偏振光进行描述。Jones矢量法利用两个正交分量构成列矩阵描述偏振态；Stokes矢量通过四个参数解释偏振态，其偏振度可区分不同偏振类型。

偏振成像进展

基于超构表面结构的偏振器件集成度高，推动偏振成像技术向小型化发展。Arbabi等设计的分焦平面偏振相机实现全Stokes成像偏振测量与成像，突破理论效率限制；Capasso课题组采用矩阵傅里叶光学理论框架，通过设计超构表面衍射光栅实现偏振成像；2022年Zhang等提出无串扰的宽带消色差全Stokes成像偏振器解决串扰问题；2023年Huang等的交错式金属超构透镜实现对不同偏振态光的高分辨率成像和偏振测量；Gao等提出的光谱和偏振多焦点超构透镜可单次拍摄获取光谱和椭圆偏振度等信息。超构表面偏振成像技术仍面临挑战，需科研人员深入研究。

基于超构表面的偏振成像

主动式三维成像

飞行时间法：传统ToF产品存在视场受限、功耗大、分辨率低等问题，超构表面可改善。Sun等使用基于TCO的电可调有源超构表面实现10m处3D深度成像，三星公司改进实现光束扫描功能，Chen等开发基于超构表面透镜阵列的半固体微机械光束扫描系统，Stelinga等利用多模光纤实现接近视频帧率的三维成像，为相关应用带来新可能。

结构光三维成像技术：利用结构光原理，超构表面克服传统光学元件局限。Li等提出的Hermitian共轭超构表面生成全空间随机点云，辅助结构光3D成像；Ni等实现大视场结构光投影；Kim等实现全空间结构光投影和三维成像，并展示增强现实眼镜制造可行性。

超构表面实现结构光三维成像

被动式三维成像技术

双目视差三维成像：传统双目机器视觉系统存在问题，超构表面可改善。Liu等提出基于新型双目GaN超构透镜的水下立体视觉系统，操作简单流畅，精度高，还具有超疏水性，未来三维成像技术将不断发展完善。

光场三维成像：利用微透镜阵列器件，超构表面实现透镜会聚功能且具高分辨率、低损耗优点。Lin等制备消色差超构透镜阵列实现宽带连续无色差全彩光场成像；Holsteen等设计多功能光场超构表面实现三维单粒子跟踪；Liu等提出超构透镜阵列实现紧凑型像差校正的三维定位，在多个领域有应用潜力。

被动式三维成像

后端成像

基于超构表面的后端成像技术可处理和分析多维度信息。Colburn等利用双孔径超构表面实现场景被动测距和重建；Guo等设计的深度传感器利用PSF测量深度；Hua等提出的超紧凑光场光谱成像技术结合超构透镜阵列与传感器，采用稀疏编码算法提高光谱分辨率；Jing等利用单一条纹投影实现活动三维定位和成像；Li等展示的机器学习可编程超构表面成像器可在复杂场景实现高质量成像和目标识别，为多领域带来应用前景。

超构表面的后端成像

端对端成像

联合优化端对端成像是计算成像范式。Tseng等提出全可微学习框架展示高质量可见光成像超构表面；Lin等提出单次多通道超构表面成像联合设计方法，可从单色图像提取多通道信息；Ma等联合统计机器学习模型实现红外波段聚焦和全息成像；Zhang等提出紧凑型快照高光谱成像系统，通过联合优化提高成像质量和性能。

基于端对端的超构表面

AR/VR

超构表面可改善AR/VR近眼显示系统。Lee等提出超构表面全彩AR近眼显示器，Capasso团队设计RGB消色差超构透镜，Li等提出反射型超构透镜，Rolland研究团队提出Metaform技术，Lan等设计隐形眼镜式超构表面，Tang等提出动态可调AR显示系统。目前超构表面在AR/VR中起补充或替代传统光学元件作用，未来相关光学元件将向更小、更轻、更薄发展。

AR/VR显示系统

光纤/光波导

超构表面集成在光波导结构上可提升性能。Li等制备梯度超构表面结构实现多种器件功能；Capasso课题组设计超构透镜新型光纤导管解决传统光学OCT技术局限；Zhong等实现千兆赫级可切换的波前整形；Wetzstein课题组提出基于超构表面波导的全彩色3D全息AR显示技术，提高视觉质量。

光纤/光波导的应用

超分辨成像

超构表面可提高成像分辨率。Cheng等实现超振荡的超分辨成像；Zhao等利用深度学习实现目标感知和超分辨率成像；Guo 等展示双波段远场超分辨透镜设计方法。超构表面在超分辨成像领域潜力巨大，可应用于光学显微镜等领域。

基于超构表面的超分辨成像与量子成像

量子成像

量子成像利用光子关联性，超构表面可应用于其中。Altuzarra 等实现依赖量子纠缠的光学成像；Liu研究团队实现可切换的边缘检测功能；Li等实现高维度、集成化的双光子、多光子纠缠光源。超构透镜商业化发展迅速，如Metalenz公司推出相关产品，深圳迈塔兰斯科技有限公司发布光学系统原型镜头，未来商业前景广阔。

超构表面技术在光学成像领域取得显著进展，在多种成像方式中展现出巨大潜力，广泛应用于多个领域，推动了相关技术的发展和进步。同时，超构表面也面临高精度制造和批量生产难度大、成本高、材料选择和稳定性挑战等问题。

但随着技术发展，未来有望设计出功能性更丰富的超构表面，结合纳米压印技术与电子束光刻可降低成本，实现大规模生产，推动其在更多场景的应用，进一步革新光学成像技术。

声明：本文仅用作学术目的。文章来源于：郑诗雨,余一婉,周徐淅,付博妍,王漱明,王振林,祝世宁.超构表面赋能多维度光学成像研究（特邀）[J].激光与光电子学进展,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.