《激光与光电子学进展》于2024年61卷第16期推出“光场智能成像”专题，南京大学祝世宁院士、王漱明教授团队特邀综述“超构表面赋能多维度光学成像研究（特邀）”被选为封面文章。

研究背景

若问光明何所在，自然界内照万物。光速飞驰无形迹，光谱分解七彩斑。光不仅可以用来照亮，让世界缤纷多彩，它还隐藏着许多神秘的光学信息维度。通过对光场特性的分析，可以实现光学成像，提取物质的材料组成、形态特征等。然而，传统的光学成像系统主要依赖于透镜组的叠加实现光的传输和聚焦，限制成像的分辨率和成像质量的同时，也增加了系统体积的复杂性。超构表面作为一种二维人工原子阵列具有超强的光波操控力，能在亚波长范围内灵活调制光的相位、振幅、偏振等自由度，被认为是除折射光学元件和衍射光学元件外的新一代光学组件。通过本文,我们将系统地回顾基于超构表面多维光场调控在先进成像方面的研究进展，并探讨了在可商业化领域的潜力及应用情况。

超构表面的多维度调控

超构表面凭借其独特的电磁响应特性，在过去十年中取得了巨大的发展和进步，为先进成像系统等开拓了广阔前景，特别是在色散型成像、偏振成像、三维成像和计算成像等领域。这些研究不仅推动了光学器件的创新，还为多种应用场景提供了新的解决方案。在色散型成像方面，通过设计超构表面、超构透镜，可以实现对不同波长光的精确控制，消除图像色差、增强对比度和提高图像分辨率。研究者们基于超构表面开发了超薄光谱仪和滤波器，实现了色散型光学器件的微型化。在偏振成像领域，超构表面可产生多种偏振光、高效控制偏振态，在成像、传感及边缘检测中具有广泛的应用。随着众多领域对高维度目标信息的需求增加，实现远距离、无损、高精度的三维成像也成为了重要的研究方向。超构表面辅助的三维成像能够精确的获取深度信息，获取高分辨率、大视场角、小色差的三维图像。近年来研究人员也将计算机视觉算法和技术应用于超构表面的设计中，利用算法进行解码和重建，为图像重建和优化提供了一种创新途径，从而实现更高效的光学功能，获得更高质量的图像。

超构表面多维度成像。（a）红外宽带消色差超构透镜；（b）可见光宽带消色差超构透镜；（c）快照式高光谱成像仪；（d）全Stokes偏振成像；（e）大视场高密度点云投射三维成像；(f）水下双目超构透镜

应用现状与前景

超构表面的研究受到实际应用需求的驱动，高效光学器件、信息处理和传感等领域的需求也推动了超构表面的快速发展。本文探讨了超构表面在AR/VR、光波导等领域的前沿应用，在超分辨成像和量子成像方面的突破，以及超构表面科研成果的商业化孵化。在AR/VR中，超构表面和超构透镜表现出了色差小、视场角大、结构紧凑等优势，显著减小AR/VR设备的体积和重量，提升显示设备的图像质量，从而提供了更为沉浸的用户体验。在光纤通信和光波导中，超构表面可用于高效地引导和控制光波传输，实现更高效的光信号传输和操控，提高通信速度和带宽。此外，超构表面应用在超分辨成像和量子成像中，能够突破了传统光学显微镜的分辨率极限，实现传统成像技术无法达到的精度和灵敏度。

超构表面成像应用。（a）透射式全彩AR近眼显示；（b）波导全彩3D全息AR显示；（c）超构表面辅助共聚焦成像；（d）超构表面用于边缘成像

目前已经有多家巨头公司宣布成立超构透镜研发中心，同时也有不少初创公司在推进超构透镜的商业化进展。MetalenZ公司与意法半导体(STMicroelectronics，ST)合作推出了新一代ToF测距传感器VL53L8，并针对智能手机面部识别应用推出Polar ID系统，将超构表面技术商业化并用于消费设备。此外，深圳迈塔兰斯科技有限公司发布一款宽光谱可见光消像差折超混合光学系统原型镜头，迈出了可见光超构透镜产业化的关键一步。我们有理由相信，超构表面未来将在更多前沿领域有着不可估量的商业前景。

报道来源于中国激光杂志社。