超構(gòu)表面技術(shù)在光學成像領(lǐng)域的發(fā)展及應用
光學超構(gòu)表面技術(shù)作為一種全新的平面光學技術(shù)，近年來取得了顯著的進展，為光學成像開辟了廣泛的應用前景。超構(gòu)表面在對波前進行精確調(diào)控的同時，具有多功能、易于集成、輕薄和緊湊的優(yōu)勢。這些創(chuàng)新性的優(yōu)勢為基于超構(gòu)表面的多維光場成像技術(shù)和計算成像方面提供了新的可能性。
同時，超構(gòu)表面可用于AR/VR、光纖、光波導等前沿應用，以及超分辨成像、量子成像等創(chuàng)新性成像技術(shù)。在未來，超構(gòu)表面將具有更強的靈活性和適應性，可滿足各種復雜應用場景的需求，在光學成像領(lǐng)域扮演日益重要的角色。
南京大學物理學院固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室的鄭詩雨團隊發(fā)表文章，回顧了光學成像發(fā)展歷程，重點介紹超構(gòu)表面在多維光場調(diào)控成像方面的研究進展，探討其應用前景，總結(jié)成果并展望未來。
超構(gòu)表面發(fā)展進程
起源與基礎(chǔ)
幾何光學發(fā)展為光學器件設(shè)計奠定基礎(chǔ)，光學元件廣泛應用于多種器件。1908年，Lippmann基于昆蟲復眼結(jié)構(gòu)提出集成攝影技術(shù)，為光場成像技術(shù)奠定基礎(chǔ)。超構(gòu)材料因其特殊光學性質(zhì)引起關(guān)注，1968年Veselago發(fā)表負折射率材料理論工作，之后相關(guān)研究不斷推進。2011年，Yu等提出廣義斯涅耳定律，超構(gòu)表面應運而生，其能在亞波長范圍內(nèi)靈活調(diào)制光的多種自由度。
相位調(diào)控機制
超構(gòu)表面有共振相位、幾何相位和傳輸相位三種主要相位調(diào)控機制。共振相位利用共振效應調(diào)控特定頻率范圍相位，如Sun等設(shè)計的金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)通過等離子體耦合控制相位梯度變化。幾何相位與光偏振態(tài)密切相關(guān)，由幾何參數(shù)相同、各向異性微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，如Chen等設(shè)計的新型平面透鏡通過控制結(jié)構(gòu)單元旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)電磁波。傳輸相位由介質(zhì)折射率和厚度共同決定，如Khorasaninejad等利用TiO₂設(shè)計超構(gòu)透鏡通過改變納米柱尺寸實現(xiàn)聚焦。此外，逆向設(shè)計成為重要設(shè)計方法，包括梯度優(yōu)化和全局優(yōu)化方法，為超構(gòu)表面設(shè)計提供更多可能。
應用前景
超構(gòu)表面通過精確控制光的相位、振幅和偏振，在光學成像、光通信、光傳感、光學器件和光學信息處理等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛應用前景，為光學和光子學領(lǐng)域帶來新的發(fā)展機遇。
色散型成像
消色差成像
光線通過微結(jié)構(gòu)成像時，超構(gòu)表面可在亞波長尺度引入有效折射率和色散，通過合理設(shè)置結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使不同頻率光產(chǎn)生不同相位延遲，從而有效提升成像質(zhì)量。例如Capasso課題組設(shè)計的多波長消色差超構(gòu)透鏡、寬帶消色差超構(gòu)透鏡等，在不同波長下實現(xiàn)消色差，提高了光學系統(tǒng)性能，對診斷、檢測和分析等應用具有重要意義。
光譜成像
光譜成像技術(shù)發(fā)展迅速，根據(jù)光譜通道數(shù)分為多光譜成像和高光譜成像，工作機理可分為掃描成像和快照成像。Faraji-Dana等的線掃描折疊超構(gòu)表面高光譜成像儀在特定波長范圍工作，性能優(yōu)異；Yang等的單根納米線制作的掃描式超構(gòu)表面光譜成像儀可重構(gòu)入射光譜；McClung等的多孔徑平行超構(gòu)表面快照成像系統(tǒng)能在小體積內(nèi)同時獲取多個圖像通道；Lin等結(jié)合超構(gòu)表面和深度學習的緊湊式快照高光譜成像儀可生成高保真度數(shù)據(jù)立方體。超構(gòu)表面為光譜成像系統(tǒng)帶來新設(shè)計思路，推動其在多領(lǐng)域的應用發(fā)展。
超構(gòu)表面偏振成像
偏振描述方法
主要通過Jones矢量法、Stokes矢量法和龐加萊球表示法對偏振光進行描述。Jones矢量法利用兩個正交分量構(gòu)成列矩陣描述偏振態(tài)；Stokes矢量通過四個參數(shù)解釋偏振態(tài)，其偏振度可區(qū)分不同偏振類型。
偏振成像進展
基于超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的偏振器件集成度高，推動偏振成像技術(shù)向小型化發(fā)展。Arbabi等設(shè)計的分焦平面偏振相機實現(xiàn)全Stokes成像偏振測量與成像，突破理論效率限制；Capasso課題組采用矩陣傅里葉光學理論框架，通過設(shè)計超構(gòu)表面衍射光柵實現(xiàn)偏振成像；2022年Zhang等提出無串擾的寬帶消色差全Stokes成像偏振器解決串擾問題；2023年Huang等的交錯式金屬超構(gòu)透鏡實現(xiàn)對不同偏振態(tài)光的高分辨率成像和偏振測量；Gao等提出的光譜和偏振多焦點超構(gòu)透鏡可單次拍攝獲取光譜和橢圓偏振度等信息。超構(gòu)表面偏振成像技術(shù)仍面臨挑戰(zhàn)，需科研人員深入研究。
三維成像
主動式三維成像
飛行時間法：傳統(tǒng)ToF產(chǎn)品存在視場受限、功耗大、分辨率低等問題，超構(gòu)表面可改善。Sun等使用基于TCO的電可調(diào)有源超構(gòu)表面實現(xiàn)10m處3D深度成像，三星公司改進實現(xiàn)光束掃描功能，Chen等開發(fā)基于超構(gòu)表面透鏡陣列的半固體微機械光束掃描系統(tǒng)，Stelinga等利用多模光纖實現(xiàn)接近視頻幀率的三維成像，為相關(guān)應用帶來新可能。
結(jié)構(gòu)光三維成像技術(shù)：利用結(jié)構(gòu)光原理，超構(gòu)表面克服傳統(tǒng)光學元件局限。Li等提出的Hermitian共軛超構(gòu)表面生成全空間隨機點云，輔助結(jié)構(gòu)光3D成像；Ni等實現(xiàn)大視場結(jié)構(gòu)光投影；Kim等實現(xiàn)全空間結(jié)構(gòu)光投影和三維成像，并展示增強現(xiàn)實眼鏡制造可行性。
被動式三維成像技術(shù)
雙目視差三維成像：傳統(tǒng)雙目機器視覺系統(tǒng)存在問題，超構(gòu)表面可改善。Liu等提出基于新型雙目GaN超構(gòu)透鏡的水下立體視覺系統(tǒng)，操作簡單流暢，精度高，還具有超疏水性，未來三維成像技術(shù)將不斷發(fā)展完善。
光場三維成像：利用微透鏡陣列器件，超構(gòu)表面實現(xiàn)透鏡會聚功能且具高分辨率、低損耗優(yōu)點。Lin等制備消色差超構(gòu)透鏡陣列實現(xiàn)寬帶連續(xù)無色差全彩光場成像；Holsteen等設(shè)計多功能光場超構(gòu)表面實現(xiàn)三維單粒子跟蹤；Liu等提出超構(gòu)透鏡陣列實現(xiàn)緊湊型像差校正的三維定位，在多個領(lǐng)域有應用潛力。
計算光學成像
后端成像
基于超構(gòu)表面的后端成像技術(shù)可處理和分析多維度信息。Colburn等利用雙孔徑超構(gòu)表面實現(xiàn)場景被動測距和重建；Guo等設(shè)計的深度傳感器利用PSF測量深度；Hua等提出的超緊湊光場光譜成像技術(shù)結(jié)合超構(gòu)透鏡陣列與傳感器，采用稀疏編碼算法提高光譜分辨率；Jing等利用單一條紋投影實現(xiàn)活動三維定位和成像；Li等展示的機器學習可編程超構(gòu)表面成像器可在復雜場景實現(xiàn)高質(zhì)量成像和目標識別，為多領(lǐng)域帶來應用前景。
端對端成像
聯(lián)合優(yōu)化端對端成像是計算成像范式。Tseng等提出全可微學習框架展示高質(zhì)量可見光成像超構(gòu)表面；Lin等提出單次多通道超構(gòu)表面成像聯(lián)合設(shè)計方法，可從單色圖像提取多通道信息；Ma等聯(lián)合統(tǒng)計機器學習模型實現(xiàn)紅外波段聚焦和全息成像；Zhang等提出緊湊型快照高光譜成像系統(tǒng)，通過聯(lián)合優(yōu)化提高成像質(zhì)量和性能。
先進應用與前景
AR/VR
超構(gòu)表面可改善AR/VR近眼顯示系統(tǒng)。Lee等提出超構(gòu)表面全彩AR近眼顯示器，Capasso團隊設(shè)計RGB消色差超構(gòu)透鏡，Li等提出反射型超構(gòu)透鏡，Rolland研究團隊提出Metaform技術(shù)，Lan等設(shè)計隱形眼鏡式超構(gòu)表面，Tang等提出動態(tài)可調(diào)AR顯示系統(tǒng)。目前超構(gòu)表面在AR/VR中起補充或替代傳統(tǒng)光學元件作用，未來相關(guān)光學元件將向更小、更輕、更薄發(fā)展。
光纖/光波導
超構(gòu)表面集成在光波導結(jié)構(gòu)上可提升性能。Li等制備梯度超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多種器件功能；Capasso課題組設(shè)計超構(gòu)透鏡新型光纖導管解決傳統(tǒng)光學OCT技術(shù)局限；Zhong等實現(xiàn)千兆赫級可切換的波前整形；Wetzstein課題組提出基于超構(gòu)表面波導的全彩色3D全息AR顯示技術(shù)，提高視覺質(zhì)量。
超分辨成像
超構(gòu)表面可提高成像分辨率。Cheng等實現(xiàn)超振蕩的超分辨成像；Zhao等利用深度學習實現(xiàn)目標感知和超分辨率成像；Guo 等展示雙波段遠場超分辨透鏡設(shè)計方法。超構(gòu)表面在超分辨成像領(lǐng)域潛力巨大，可應用于光學顯微鏡等領(lǐng)域。
量子成像
量子成像利用光子關(guān)聯(lián)性，超構(gòu)表面可應用于其中。Altuzarra 等實現(xiàn)依賴量子糾纏的光學成像；Liu研究團隊實現(xiàn)可切換的邊緣檢測功能；Li等實現(xiàn)高維度、集成化的雙光子、多光子糾纏光源。超構(gòu)透鏡商業(yè)化發(fā)展迅速，如Metalenz公司推出相關(guān)產(chǎn)品，深圳邁塔蘭斯科技有限公司發(fā)布光學系統(tǒng)原型鏡頭，未來商業(yè)前景廣闊。
結(jié)論與展望
超構(gòu)表面技術(shù)在光學成像領(lǐng)域取得顯著進展，在多種成像方式中展現(xiàn)出巨大潛力，廣泛應用于多個領(lǐng)域，推動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進步。同時，超構(gòu)表面也面臨高精度制造和批量生產(chǎn)難度大、成本高、材料選擇和穩(wěn)定性挑戰(zhàn)等問題。
但隨著技術(shù)發(fā)展，未來有望設(shè)計出功能性更豐富的超構(gòu)表面，結(jié)合納米壓印技術(shù)與電子束光刻可降低成本，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，推動其在更多場景的應用，進一步革新光學成像技術(shù)。
聲明：本文僅用作學術(shù)目的。文章來源于：鄭詩雨,余一婉,周徐淅,付博妍,王漱明,王振林,祝世寧.超構(gòu)表面賦能多維度光學成像研究（特邀）[J].激光與光電子學進展,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.
