研究进展：基于超构表面的光学计算与先进成像

由亚波长纳米结构组成的超构表面作为一种新兴的颠覆性技术，能够对相位、振幅值、偏振和色散等光场特性进行独立调控，这对于波前调控元件、集成成像系统、可穿戴光电设备来说都具有重要的意义。

超构表面能够以光速对输入波信号进行复杂的模拟计算，为超薄、超快、高通量和高集成度的低功耗光学成像平台的构建提供了一种全新的方案。

哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院的郝慧捷团队发表文章，总结了基于超构表面的光学模拟计算和光学成像的最新进展，从二者之间的基本联系出发，讨论了全光计算超构表面和超构表面成像系统之间的内在联系，详细介绍了超构表面在这些领域的应用，最后总结了超构表面光学计算当前面临的挑战，并展望了未来的发展方向。

超构表面器件在光学模拟计算和光学成像中的功能和应用总结

一、振幅和相位调控

1、相位调制方法

超构表面振幅和相位调制

2、振幅调制超构表面

通过局部调整单元结构反射或透射特性实现振幅变化，马吕斯超构表面受马吕斯定律启发，每个单元结构可看作偏振调制器，通过改变纳米结构旋转角在亚波长分辨率下实现任意振幅调制，还能产生负振幅调控，这是传统强度调制光学元件无法实现的。

二、多功能超构表面

多功能超构表面旨在单一元件实现多种功能，提高数据密度、缩小设备尺寸、降低功耗并增强系统兼容性。早期空间复用方法通过划分超构表面空间区域实现不同功能，但复杂应用场景下会增加尺寸和串扰。

角动量复用、极化复用和波长复用等方法克服了功能集成和设备尺寸限制。轨道角动量复用可增大调制带宽，常用于光学信息编码和调制；偏振复用利用光的偏振正交性，如结合几何相位和传播相位实现正交偏振态独立相位调控；波长复用通过设计在多个波长上获得功能，超构透镜在超构表面应用中商业化潜力大，其加工工艺与CMOS兼容，可大规模生产。

多功能超构表面示意图

但超构透镜存在色差、数值孔径和视场角等问题，通过多种方法改进，如引入导模共振实现宽带消色差，采用特殊结构提高数值孔径和视场角，如油浸法、组合超构透镜结构、增加孔径光阑、逆向设计多层超构透镜结构等。

大数据时代信息量剧增，新兴技术对高速计算需求大，而传统电子计算面临工艺制程物理极限及量子隧穿等问题。基于光子的处理器受关注，其中基于超构表面的光学模拟计算近年兴起。

它无需模拟信号到数字信号转换，能直接进行多种数学运算，且具有并行处理、光速计算和低功耗优点，为图像处理提供理想方法。后续将介绍其傅里叶域滤波法、格林函数法和光学差分法等计算方法。

超构透镜示意图

一、傅里叶域滤波法

1、基本原理

基于透镜的傅里叶变换，在4f系统中，当满足薄透镜近似和傍轴近似条件时，透镜可视为傅里叶透镜，前后透镜焦面重合，物体置于前焦面，经傅里叶变换在共焦面产生二维空间傅里叶频谱，第二个透镜再进行傅里叶变换将处理后的图像呈现在像平面。通过在傅里叶平面上设计振幅和相位掩模，可实现空间微分、积分、卷积等数学运算，其传递函数可通过线性系统理论进行空间频率分析，光学成像模型可用卷积描述，输入输出图像复振幅关系与点扩散函数相关，通过调制传递函数可进行光学计算和信息处理。

基于透镜的光学模拟计算原理

2、应用实例

Silva等提出的超构材料光学模拟计算系统类似4f系统，由傅里叶变换、空间傅里叶滤波、傅里叶逆变换模块组成，使用二维梯度折射介质实现傅里叶变换和逆变换，超构传输阵列基本单元结构由特定材料组成，通过控制局部传递函数调节透射波相位和振幅，该系统尺寸小且避免模数转换和系统延迟。

基于4f系统的光学计算方法多样，如利用石墨烯等离子体超构线通过设定表面电导率调控透射振幅和相位实现模拟计算；反射式等离子体超构表面利用间隙表面等离子体共振实现微分和积分功能；介质超构表面与GRIN透镜耦合实现通信波长下的运算；还可通过单层惠更斯超构表面或集成化超构成像系统实现多种功能，如边缘检测、目标识别等，集成化超构成像系统由超构透镜和复振幅调制器组成，可实时显示全光卷积计算。

傅里叶域滤波法在光学模拟计算中的应用

二、格林函数法

1、原理特点

格林函数能在空间域直接实现所需传递函数，避免从空间域到频域的变换。通过调整不同角度下的透射或反射系数，使其与系统传递函数一致，可利用纳米结构如亚波长衍射光栅、二维光子晶体等实现特定功能传递函数。亚波长衍射光栅在入射角满足一定条件时可实现一阶空间微分，二维光子晶体在特定条件下可实现各向同性高通、低通、带阻和带通滤波器，但基于光子晶体的系统数值孔径和分辨率受限，仅限于窄带光谱低分辨率成像。

基于光子晶体的格林函数法光学模拟计算示意图

2、多层膜结构应用

多层膜结构如相移布拉格光栅、基于表面等离激元的多层膜结构等可用于光学计算。相移布拉格光栅在一定入射条件下反射系数可近似为一阶微分传递函数，法向入射时可进行拉普拉斯变换；基于表面等离激元的多层膜结构利用干涉效应执行一阶空间微分，多层索尔兹伯里屏可实现全光空间频率滤波，但这些器件依赖共振激发，在宽带应用受限且效率有限，仅能在反射模式下工作，无法任意设计数值孔径和光学分辨率。

基于多层膜和超构表面的格林函数法光学模拟计算示意图

多层膜也可基于非谐振原理进行光学计算，如实现法向入射下的各向同性光学微分、积分等，超构表面也可用于基于格林函数法的光学计算，如实现边缘检测、定量相位成像等功能，如利用消色差超构透镜阵列实现光场成像和边缘检测，或通过单个超构透镜进行非线性计算成像。

三、光学差分法

核心思想与实现方式

差分通过将函数映射为两个原始信号相减来实现边缘增强，其核心思想是反映离散量之间的变化。

基于光学差分法的光学模拟计算

Zhou等提出的宽带边缘检测光学系统利用几何相位超构表面将入射线偏振光转换为空间位置分离的LCP光和RCP光，通过检偏器消除重叠分量，输出电场与输入场一阶空间微分近似成正比，实现一维光学微分，后扩展到二维实现各向同性光学边缘成像。

该方法还可用于定量相位成像，如傅里叶光学自旋分裂显微镜通过超构表面在成像平面形成两个不重叠图像，将不同偏振延迟下成像结果编码到偏振相机不同通道，实现样品定量相位成像和定量相位梯度成像；还可利用基于弱值放大技术的计算超构表面同时进行手性检测和边缘检测。

一、相位成像

多数生物样本为弱散射的“相位物体”，传统光学显微镜对其成像对比度低。相位成像可直接可视化相位信息，常见方法有螺旋相衬法、Nomarski微分干涉相衬法、强度传输方程法等。

Huo等开发的光学成像系统利用自旋复用超构表面，通过改变入射光自旋方向，在明场成像和螺旋相衬成像模式间切换，该超构表面将不同相位分布加载在入射光不同偏振态下形成空间滤波器。Kim等结合双曲相位和拓扑电荷为1的螺旋相位，将成像和边缘检测功能融合到单层超构表面成像系统。

Kwon等构建的微型定量相位梯度显微镜利用多功能介质超构表面集成系统，结合三步相移法和DIC显微镜技术实现定量相位梯度成像。

Wang等利用计算超构表面取代传统DIC显微镜中的元件，通过单次成像实现各向同性边缘检测。

Engay等提出的单极化相关全介质超构表面通过迭代计算强度传输方程进行相位成像，利用全介质超构表面独立控制正交极化状态特性，同时采集两幅图像作为输入求解相位分布。

超构表面相位成像

二、三维成像

传统明场光学显微镜难以对厚样品单次成像获取所有平面特征，超构表面在三维成像领域优势显著。

三维成像系统根据照明方式分为主动和被动照明，主动照明对暗场和低纹理物体成像有优势，被动照明在三维显微成像中应用广泛。光场显微镜是被动照明方式的一种，通过引入微透镜阵列捕获入射光二维位置和角度信息，后期处理实现三维重建。

Lin等使用消色差超构透镜阵列替代微透镜阵列实现全彩光场相机，Jin等展示了生成三维点扩散函数的超构表面，后基于惠更斯原理设计集成化超构表面实现单透镜三维成像。

主动式照明三维成像技术如双超构表面级联系统组成的Moiré超构透镜用于生物样本高对比度变焦荧光成像，双射照明收集成像通过设计照明和收集路径实现高分辨率3D成像，如在光学相干断层扫描中取得良好效果。

超构表面三维成像

三、偏振成像

偏振成像利用光的偏振特性获取样本表面形状、纹理和光学各向异性等信息。超构表面能在亚波长尺度实现像素化偏振转换，得益于单元结构双折射特性。

Yang等基于透射式全介质超构透镜提出广义Hartmann-Shack阵列，由集成在单目相机上的超构透镜阵列组成，每个像素由多个超构透镜组成，单次成像可得到多种偏振状态用于重构Stokes参数。

Arbabi等引入新偏振划分原理，基于三对不同偏振基的偏振分裂和聚焦表征偏振态，克服传统偏振相机效率限制。

Rubin等利用超构表面衍射光栅，无需传统偏振光学元件和机械部件，在每个成像像素上获得物体偏振态，通过单帧实现偏振成像，利用二维光栅单元结构分析特定偏振态，重建Mueller矩阵得到Stokes矢量元素。

偏振成像超构表面

四、集成化成像系统

超构表面为微型化成像系统提供新思路，其加工与CMOS技术兼容，超构透镜可替代传统光学透镜。

Arbabi等提出的微型平板相机将组合超构表面与图像传感器集成，组合超构表面由两个精密对准的超构表面组成，分别实现像差校正和光线会聚，与CMOS垂直堆叠。

Martins等搭建的系统使用单层超构透镜构建集成化成像系统，通过3D打印外壳连接超构透镜与CMOS成像传感器实现高分辨率宽视场成像。

Xu等提出用固态透明光学胶带将硅基超构透镜固定在CMOS图像传感器上，并通过改变胶带厚度调整距离。

Li等在CMOS传感器上直接集成超构透镜实现紧凑近红外显微成像装置，后开发出基于集成化平面超构透镜阵列的广角成像系统，通过定义补偿相位对大视角场景成像，进一步缩小尺寸建立芯片式超构透镜显微成像系统实现大视场和大景深成像。

此外，超构表面还可实现特殊成像功能，如Guo等受跳蛛启发提出的紧凑型深度传感器，利用超构透镜在图像传感器不同区域形成不同深度散焦图案，通过算法解算深度信息；还有集成CMOS相机和超构表面的微型化OAM分类器件、基于多路复用超构表面的衍射神经网络与CMOS集成实现片上多通道传感等。

基于超构表面的集成相机

过去十年，超构表面助力光学模拟计算与成像发展且联系紧密，在多需求推动下发挥重要融合作用。但仍面临挑战，设计上需精确模型与优化算法，产业化需新加工工艺，虽现有技术可纳米精度制备但规模受限。超构表面在全光计算、天文成像等方面潜力大但应用受限。未来需探索非线性效应、开发新材与结构，突破现有局限，有望带来新变革，在多领域产生深远影响。

声明：本文仅用作学术目的。文章来源于：郝慧捷, 王新伟, 刘俭, 丁旭旻. 基于超构表面的光学计算与先进成像（特邀）[J]. 激光与光电子学进展, 2024, 61(16): 1611008. Huijie Hao, Xinwei Wang, Jian Liu, Xumin Ding. Optical Computation and Advanced Imaging Based on Metasurface(Invited)[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2024, 61(16): 1611008.