1、背景介绍

光是获取信息的载体，贯穿了人类两千多年的自然科学发展史。“潭清疑水浅，荷动知鱼散”是它折射现象的体现，“湖光秋月两相知，潭面无风镜未磨”是它反射特性的缩影。为了获得更多的外界信息，如何精确操控光的传播行为一直以来都是科学家们思考的问题。

随着时代的发展，人们对高像素影像和绚丽多彩的显示技术的要求也不断趋于轻薄小型化，对于多个维度的光场调控的要求也趋于紧凑集成化。超构表面的出现为人类获取外界光学信息提供了新思路，不仅重塑了人类与光交互的方式，更创造了实现高分辨率、宽光谱成像与全息显示的全新可能。超构表面基于亚波长尺度下的纳米结构，由人工设计编排而成，就像微纳尺度下的“琴键”，给每束光线的“音符”赋予了新的生命。

南京大学祝世宁院士、王漱明教授团队立足于多维光场调控技术，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。结合相关智能算法，综述了其在多维成像、全息显示以及这些技术的交叉领域的应用，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。

2、超构表面成像与显示

2.1超构表面的设计基础与优化设计方案

从广义斯涅尔定律出发，全面分析了成像所需要的相位机制，简要介绍了全息相位的计算原理及目前广泛使用的算法。同时，概述了基于优化算法的原理及功能性成像和显示器件，如：基于拓扑优化、遗传算法、神经网络等设计方案，能最大限度得到高指标的微纳元件；根据不同需求选择算法，能节省计算成本，最终实现优异的成像与显示功能。

2.2超构透镜成像技术

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。由于材料具有色散，普通超构透镜的工作带宽严重受限，这严重影响了彩色成像的质量。本团队系统地讨论了在超构透镜成像方面的色差调控工作及其应用，包括消色差全彩色成像、消色差光场成像与四维光谱光场成像等，这些研究成果极大地推动了可穿戴设备、集成化成像系统与便携式光谱仪领域中的技术革新，如图1所示。此外，利用多个光学维度或具有结构化的特殊光场，不仅可以实现复用的成像功能，极大地增加超构表面的功能多样性，还能重构出物体的表面形状，实现三维成像。

图1 基于超构表面的先进成像。（a）消色差超构透镜；（b）基于超色差实现光谱层析成像；（c）基于入射光自旋状态的可切换的光子自旋复用超构表面；（d）基于横向色散超构系统实现超紧凑光谱光场成像；（e）基于超构表面结构光成像的三维重建

2.3超构表面显示领域

基于超构表面的全息显示技术提供了更高的可控自由度和更强的三维显示能力，极大地扩展了显示技术的应用范围，并为高度逼真的视觉体验提供了新的途径，如图2所示。增强现实(AR)和虚拟现实(VR)近眼技术在当今世界发挥着越来越重要的作用，但目前还存在数据量大、分辨率低的问题。超构表面的兴起使实现更薄、更高效的近眼显示设备成为可能，推动了AR和VR技术的进一步发展。

图2 基于超构表面的显示技术。（a）全彩复振幅矢量全息显示；（b）动态彩色三维全息显示；（c）大角度三维光场显示；（d）基于超构表面的AR显示；（e）基于波导共振的AR显示

本团队依次介绍了基于超构表面的全息显示技术（标量全息、矢量全息等），讨论了三维显示技术（三维全息、光场显示等），并分析了由超构表面实现的AR/VR技术的进步（全彩显示器、波导耦合显示器等）。此外，比较了不同设计参数在超构表面成像和显示能力方面的差异，分析了超构表面成像与显示所面临的诸多挑战，并针对这些挑战提出了可行的解决方案。相信随着技术的进步和原理的创新，成像和显示技术将得到进一步的发展和应用。

2.4超构表面应用前景

从跨学科的角度来看，超构表面创新地解决了复杂的科学和工程挑战，被广泛应用于计算成像、超分辨率显微镜、光学微操作、动态可调显示和非经典量子领域，如图3所示：与计算成像结合，超构表面可以处理和提取高维图像信息；与生物医学结合，超构表面可充分发挥体积优势，实现细胞的显微和生物内窥镜成像，进而在光学显微操作技术上具有独特的优势；将各种材料和光学技术相结合可以实现不同场景下动态可调的光学响应；在量子场中，基于超构表面可以实现非经典成像和显示。

图3 超构表面与交叉学科结合。（a）计算光学中压缩感知获取光谱信息；（b）高分辨断层扫描显微成像技术；（c）光学微操控的光镊-光扳手；（d）超快频率脉冲调制的动态超构表面；（e）超构表面赋能量子边缘检测

利用超构表面的巨大优势，结合多领域协同创新，克服现有的技术壁垒，可为这一充满活力的领域的发展方向提供前瞻性视角，从而推动整个光学成像与显示技术的飞跃发展。

3、总结与展望

在超构光子学蓬勃发展的大趋势下，超构成像与显示技术必将在未来充当更加重要的角色：结合计算成像算法，超构表面有望实现目前难以达到的超高分辨率；发挥材料科学的优势，未来显示将变得可调谐、可重构；与生物光学结合，超构表面将推动生物成像与生物医学技术发展。

当然，成像质量、样品大规模制备以及系统集成与封装等问题仍有待解决，进而在实际应用和最终用途方面仍然存在一些重大的挑战。但相信，借助人工智能的科技浪潮，光谱、偏振、时间甚至拓扑光子学等维度将为超构透镜注入新的活力，并带来新的机遇，推动人类社会迈进“全光时代”。

文章来源于中国激光杂志社微信公众号。