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。
据麦姆斯咨询报道，哈尔滨工业大学的科研团队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（如图1），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，包括图像处理、边缘检测、相位成像、集成化成像系统等，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。相关研究内容以“基于超构表面的光学计算与先进成像（特邀）”为题发表在《激光与光电子学进展》期刊上。
图1 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
超构表面原理
与依赖光程积累的传统光学元件不同，超构表面能够通过调控单元结构的几何参数和排列方式来改变散射特性和色散特性，而不仅仅依赖于材料的参数。通过局部调整亚波长结构与入射场的相互作用，超构表面能够产生可控的光学参量突变，从而实现对振幅、相位和偏振等光场参量的任意调控。研究团队对多功能超构表面实现振幅和相位调控的方法进行总结，并探讨其在成像领域的突出应用。
超构表面相位调制的方法包括共振相位、几何相位和传播相位等，结合两种或者多种不同类型的相位调制是目前超构表面设计中常用的策略。（1）共振相位与谐振相关，单元结构的变化使得共振频率移动，从而改变了某个频点的相位。早期超构材料的研究中已有利用等离子体金属谐振单元操纵电磁波的先例，并且实现了等效负折射率。为了提高调控效率，Pfeiffer和Grbic于2013年提出了基于惠更斯原理（Huygens principle）的超构表面，利用电极化电流和磁极化电流操纵电磁波面，抑制了反射波的产生。（2）几何相位是光的偏振态沿着庞加莱球（Poincaré sphere）上的几何路径形成循环时，与几何路径有关的相位因子。（3）传播相位利用介质纳米结构中的波导效应产生光程差，从而实现相位积累。基于介质等效折射率理论，传播相位通过调整结构的形状和尺寸对入射光进行调制。
不同于相位调制，振幅调制超构表面通过局部调整单元结构的反射或透射特性实现振幅变化，在超构表面全息（meta-hologram）、光吸收器和纳米印刷（meta-nanoprinting）等领域得到广泛应用。
图2 超构表面振幅和相位调制
多功能超构表面设计的主要目标是利用其独特的波调控能力，在单一元件中实现多种功能。这不仅提高了数据密度、缩小了设备尺寸、降低了功耗，还增强了系统的兼容性。相较于单一功能的超构表面，多功能复用的设计更加复杂，需要综合考虑多种因素以及不同通道之间的串扰问题。（1）在早期发展阶段，空间复用是一种常用的扩展功能通道的方法，通过将超构表面划分为不同的空间区域，采用分割、交错和分层结构，实现不同功能。（2）轨道角动量（OAM）由于在理论上具有无限模式，在光学信息编码和调制等领域具有重要的意义，能进一步增大调制带宽。（3）光的偏振正交性为光场调控提供了额外的自由度，因此偏振复用是实现多功能超构表面的重要途径。
图3 多功能超构表面示意图
在超构表面的所有应用中，平面超构透镜被认为是最具有商业化潜力的应用之一。除了具有色散可调节的优点外，超构透镜加工工艺与现有的互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容，可以在现有的CMOS半导体加工设备上进行大规模生产，实现光学系统的并行集成。分辨率对成像系统至关重要，根据光的衍射理论，在波长恒定的情况下，具有较高数值孔径的透镜能够提供更高的分辨率。然而，数值孔径并不能无限增加，高数值孔径会引入一系列复杂的像差，从而降低成像质量。由于单元结构群时延的限制，宽带消色差超构透镜的直径、数值孔径和工作带宽之间存在权衡。足够大的视场（FOV）角可以更好地展现超构透镜的光学性能。然而，斜入射光会引入像差，并导致聚焦效率降低，从而限制了视场角的大小。获得大成像视场的方法包括使用组合超构透镜结构（metalens doublets）、增加孔径光阑（aperture stop），以及采用逆向设计的多层超构透镜结构等。
图4 超构透镜示意图
基于超构表面的光学模拟计算
随着特征尺寸越来越接近宏观物理和量子物理的边界，摩尔定律决定的现代高级工艺制程已接近物理极限，为电子器件的微型化和计算能力的发展划定了上限。一味地将更多晶体管集成到芯片上将导致量子隧穿问题，电子穿越屏障并引起电流泄漏，最终导致故障。因此，高速计算的发展必须寻求电子器件之外的解决方案，而基于光子的处理器则完美符合这一需求。近年来，基于超构表面的光学模拟计算逐渐引起广泛关注。不同于传统的电子处理设备，计算超构表面避免了模拟信号到数字信号的转换，可以直接对输入波进行空间微分、积分和卷积等数学运算。与此同时，光学模拟计算具备并行处理、光速计算和低功耗等多重优点，为特定目的的图像处理任务提供了理想的方法。研究团队总结了利用超构表面进行光学模拟计算的不同方法，包括傅里叶域滤波法、格林函数法和光学差分法。
图5 基于透镜的光学模拟计算原理：（a）单凸透镜用于傅里叶变换；（b）4f成像系统；（c）单透镜成像系统；（d）一阶微分的一维传递函数曲线；（e）二阶微分的一维传递函数曲线；（f）一阶积分传递函数曲线
透镜的傅里叶变换是傅里叶光学的基础，透镜能够用于最基本的光学模拟计算。根据傅里叶光学原理，可以将输入的空间域信号经傅里叶变换转换到频率域，在频率域中进行相应的计算，然后将处理得到的信号经过傅里叶逆变换（IFT）转换回空间域。
图6 傅里叶域滤波法在光学模拟计算中的应用
格林函数能够直接在空间域中实现，避免了从空间域到频域的变换。光子晶体的应用使得通过单片器件实现高通滤波成为可能，避免了傅里叶变换和逆变换模块的使用，为集成化光学图像处理器开辟了新的道路，并在视觉传感和显微成像等领域中具有多种应用。基于格林函数的光学模拟计算系统也可以用多层薄膜结构实现。
图7 基于光子晶体的格林函数法光学模拟计算示意图
差分反映了离散量之间的变化，其核心思想在于将函数f ( x )映射为f ( x + a )- f ( x - b )。因此，通过两个原始信号f ( x ± h )的相减，差分也可以实现边缘增强。
图8 基于光学差分法的光学模拟计算
基于超构表面光学计算的多功能成像系统
超构表面在光学成像领域起着至关重要的作用，对于一些具有特殊功能的成像系统，如相位成像、三维成像、偏振成像等，往往需要使用非常规的定制化光学元件，甚至需要与机械部件耦合，组成复杂的级联光学系统。多功能成像系统的体积随着光学元件数量的增加而增加，也导致了光学系统设计和调试的复杂性。超构表面能够在亚波长尺度上对光进行精确调控，可将多种功能集成到单个器件中，实现紧凑、高效和实时可控的光学成像系统。研究团队通过超构表面调制光学传递函数，实现先进的成像功能，如相位成像、三维成像、偏振成像和集成化成像系统等。
利用内源性信息，如折射率的变化，对样本的生物结构进行成像，这种技术被称为“相位成像”，它可以直接可视化相位信息，无需将其转换为振幅信息或对样本进行预处理。基于这一理念，提出了多种光学相位成像方法，常见的方法有螺旋相衬法（SPC）、Nomarski微分干涉相衬法（DIC）、强度传输方程法（TIE）等。
图9 超构表面相位成像
三维成像技术对于厚样品结构测量以及原位成像至关重要，而传统的明场光学显微镜只能在焦平面上捕获到清晰明亮的图像，如果样品厚度超过物镜的景深，就无法通过单次成像获得所有平面的特征。因此，为了实现三维成像，往往需要在轴向上引入额外的扫描机制，使焦点相对目标进行轴向平移，以获得不同焦平面的信息，如共焦显微镜和多光子显微镜。但扫描过程耗时较长，影响了成像速度，且需要复杂的光机系统设计，不利于系统的集成。超构表面可将多种功能集成到单片中，在三维成像领域也展现出了巨大的优势。三维成像系统根据照明方式可分为主动照明和被动照明：主动照明方式通过照明调制，透射可编码图案，对于暗场和低纹理的物体的三维成像更有优势，大多数应用于宏观物体的三维成像；被动照明方式适用于高反射物体和高透过率物体，在三维显微成像中应用广泛，常用的被动三维成像方法有基于透镜阵列的光场显微成像技术和基于点扩散函数调制的三维成像方法。
图10 超构表面三维成像
偏振成像利用光的偏振特性，测量和分析光与物质相互作用后的偏振状态的变化，获取样本表面的形状、纹理以及光学各向异性等信息。与传统的树脂或者石英材料制成的偏振元件不同，超构表面能够在亚波长尺度下实现像素化的偏振转换，这得益于与单元结构形状相关的双折射特性。因此，利用超构表面进行偏振测量，可以获得物体的全偏振图像。
图11 偏振成像超构表面
超构表面具有超轻、超薄和高度集成化的特性，为微型化成像系统提供了新的解决思路。同时，介质超构表面加工与标准的CMOS技术兼容，促进了其与硅光子器件的集成。超构透镜具有像差校正功能，可以替代传统的光学透镜，且能够实现许多传统光学透镜无法实现的功能。因此，在光学成像系统中，将超构表面与相机集成，可以在不影响成像性能的情况下，显著减小系统尺寸，同时具备无像差、宽视场和高分辨率等优点。
图12 基于超构表面的集成相机
结束语
综上所述，在过去十年中，光学模拟计算和光学成像在超构表面技术的推动下取得了巨大的发展，这些领域的重大进展将持续且深刻地影响着实际应用。目前，技术较为成熟的电子计算设备仍然占据主导地位，但全光运算在许多方面具有无可比拟的优势，具有以低能耗在光速下并行处理海量数据并进行光存储的潜力。
展望未来，要使基于超构表面的光学模拟计算和多功能光学成像技术产生更具有实用价值的应用，仍面临几大挑战。首先，超构表面的设计逐渐发展为更小的单元结构、更大的超构表面口径和更复杂的功能函数，需要发展精确的模型和快速的优化算法。逆向设计和机器学习技术为解决这一问题提供 了新的思路，通过非凸优化寻找理论上的最优设计。其次，对于产业化来说，需要开发大规模、大口径、复杂结构的超构表面加工工艺。现今广泛使用电子束光刻技术实现纳米精度超构表面制备，但对于大规模产业化来说，其加工面积仅限于微米级或毫米级，目前厘米级的应用仍处于实验室阶段，且成本较高，无法做到经济和高效。更为先进的加工技术，如深紫外光（DUV）/极紫外光（EUV）光刻、激光直写和纳米压印，有望实现低成本、高精度的大规模商业化生产。
超构表面具有丰富的光场调控自由度，但目前应用于全光计算的超构表面大多是基于线性系统理论的。结合非线性效应的物理机制、利用计算超构表面进行非线性模拟计算的研究仍处于起步阶段，这一技术在量子计算、量子存储、量子成像中有着巨大的潜力。此外，超构表面在天文望远镜中具有广阔的发展前景，受制于制造尺寸，目前的成像超构表面主要应用在摄影和显微领域。一般来说，天文成像需要较大的孔径来提高分辨率，因此，就目前的技术发展而言，超构表面在天文成像中的应用相对较少，这也为超构表面在天文成像领域的应用提供了机遇和挑战。
DOI: 10.3788/LOP241385
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。
据麦姆斯咨询报道，哈尔滨工业大学的科研团队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（如图1），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，包括图像处理、边缘检测、相位成像、集成化成像系统等，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。相关研究内容以“基于超构表面的光学计算与先进成像（特邀）”为题发表在《激光与光电子学进展》期刊上。
图1 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
超构表面原理
与依赖光程积累的传统光学元件不同，超构表面能够通过调控单元结构的几何参数和排列方式来改变散射特性和色散特性，而不仅仅依赖于材料的参数。通过局部调整亚波长结构与入射场的相互作用，超构表面能够产生可控的光学参量突变，从而实现对振幅、相位和偏振等光场参量的任意调控。研究团队对多功能超构表面实现振幅和相位调控的方法进行总结，并探讨其在成像领域的突出应用。
超构表面相位调制的方法包括共振相位、几何相位和传播相位等，结合两种或者多种不同类型的相位调制是目前超构表面设计中常用的策略。（1）共振相位与谐振相关，单元结构的变化使得共振频率移动，从而改变了某个频点的相位。早期超构材料的研究中已有利用等离子体金属谐振单元操纵电磁波的先例，并且实现了等效负折射率。为了提高调控效率，Pfeiffer和Grbic于2013年提出了基于惠更斯原理（Huygens principle）的超构表面，利用电极化电流和磁极化电流操纵电磁波面，抑制了反射波的产生。（2）几何相位是光的偏振态沿着庞加莱球（Poincaré sphere）上的几何路径形成循环时，与几何路径有关的相位因子。（3）传播相位利用介质纳米结构中的波导效应产生光程差，从而实现相位积累。基于介质等效折射率理论，传播相位通过调整结构的形状和尺寸对入射光进行调制。
不同于相位调制，振幅调制超构表面通过局部调整单元结构的反射或透射特性实现振幅变化，在超构表面全息（meta-hologram）、光吸收器和纳米印刷（meta-nanoprinting）等领域得到广泛应用。
图2 超构表面振幅和相位调制
多功能超构表面设计的主要目标是利用其独特的波调控能力，在单一元件中实现多种功能。这不仅提高了数据密度、缩小了设备尺寸、降低了功耗，还增强了系统的兼容性。相较于单一功能的超构表面，多功能复用的设计更加复杂，需要综合考虑多种因素以及不同通道之间的串扰问题。（1）在早期发展阶段，空间复用是一种常用的扩展功能通道的方法，通过将超构表面划分为不同的空间区域，采用分割、交错和分层结构，实现不同功能。（2）轨道角动量（OAM）由于在理论上具有无限模式，在光学信息编码和调制等领域具有重要的意义，能进一步增大调制带宽。（3）光的偏振正交性为光场调控提供了额外的自由度，因此偏振复用是实现多功能超构表面的重要途径。
图3 多功能超构表面示意图
在超构表面的所有应用中，平面超构透镜被认为是最具有商业化潜力的应用之一。除了具有色散可调节的优点外，超构透镜加工工艺与现有的互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容，可以在现有的CMOS半导体加工设备上进行大规模生产，实现光学系统的并行集成。分辨率对成像系统至关重要，根据光的衍射理论，在波长恒定的情况下，具有较高数值孔径的透镜能够提供更高的分辨率。然而，数值孔径并不能无限增加，高数值孔径会引入一系列复杂的像差，从而降低成像质量。由于单元结构群时延的限制，宽带消色差超构透镜的直径、数值孔径和工作带宽之间存在权衡。足够大的视场（FOV）角可以更好地展现超构透镜的光学性能。然而，斜入射光会引入像差，并导致聚焦效率降低，从而限制了视场角的大小。获得大成像视场的方法包括使用组合超构透镜结构（metalens doublets）、增加孔径光阑（aperture stop），以及采用逆向设计的多层超构透镜结构等。
图4 超构透镜示意图
基于超构表面的光学模拟计算
随着特征尺寸越来越接近宏观物理和量子物理的边界，摩尔定律决定的现代高级工艺制程已接近物理极限，为电子器件的微型化和计算能力的发展划定了上限。一味地将更多晶体管集成到芯片上将导致量子隧穿问题，电子穿越屏障并引起电流泄漏，最终导致故障。因此，高速计算的发展必须寻求电子器件之外的解决方案，而基于光子的处理器则完美符合这一需求。近年来，基于超构表面的光学模拟计算逐渐引起广泛关注。不同于传统的电子处理设备，计算超构表面避免了模拟信号到数字信号的转换，可以直接对输入波进行空间微分、积分和卷积等数学运算。与此同时，光学模拟计算具备并行处理、光速计算和低功耗等多重优点，为特定目的的图像处理任务提供了理想的方法。研究团队总结了利用超构表面进行光学模拟计算的不同方法，包括傅里叶域滤波法、格林函数法和光学差分法。
图5 基于透镜的光学模拟计算原理：（a）单凸透镜用于傅里叶变换；（b）4f成像系统；（c）单透镜成像系统；（d）一阶微分的一维传递函数曲线；（e）二阶微分的一维传递函数曲线；（f）一阶积分传递函数曲线
透镜的傅里叶变换是傅里叶光学的基础，透镜能够用于最基本的光学模拟计算。根据傅里叶光学原理，可以将输入的空间域信号经傅里叶变换转换到频率域，在频率域中进行相应的计算，然后将处理得到的信号经过傅里叶逆变换（IFT）转换回空间域。
图6 傅里叶域滤波法在光学模拟计算中的应用
格林函数能够直接在空间域中实现，避免了从空间域到频域的变换。光子晶体的应用使得通过单片器件实现高通滤波成为可能，避免了傅里叶变换和逆变换模块的使用，为集成化光学图像处理器开辟了新的道路，并在视觉传感和显微成像等领域中具有多种应用。基于格林函数的光学模拟计算系统也可以用多层薄膜结构实现。
图7 基于光子晶体的格林函数法光学模拟计算示意图
差分反映了离散量之间的变化，其核心思想在于将函数f ( x )映射为f ( x + a )- f ( x - b )。因此，通过两个原始信号f ( x ± h )的相减，差分也可以实现边缘增强。
图8 基于光学差分法的光学模拟计算
基于超构表面光学计算的多功能成像系统
超构表面在光学成像领域起着至关重要的作用，对于一些具有特殊功能的成像系统，如相位成像、三维成像、偏振成像等，往往需要使用非常规的定制化光学元件，甚至需要与机械部件耦合，组成复杂的级联光学系统。多功能成像系统的体积随着光学元件数量的增加而增加，也导致了光学系统设计和调试的复杂性。超构表面能够在亚波长尺度上对光进行精确调控，可将多种功能集成到单个器件中，实现紧凑、高效和实时可控的光学成像系统。研究团队通过超构表面调制光学传递函数，实现先进的成像功能，如相位成像、三维成像、偏振成像和集成化成像系统等。
利用内源性信息，如折射率的变化，对样本的生物结构进行成像，这种技术被称为“相位成像”，它可以直接可视化相位信息，无需将其转换为振幅信息或对样本进行预处理。基于这一理念，提出了多种光学相位成像方法，常见的方法有螺旋相衬法（SPC）、Nomarski微分干涉相衬法（DIC）、强度传输方程法（TIE）等。
图9 超构表面相位成像
三维成像技术对于厚样品结构测量以及原位成像至关重要，而传统的明场光学显微镜只能在焦平面上捕获到清晰明亮的图像，如果样品厚度超过物镜的景深，就无法通过单次成像获得所有平面的特征。因此，为了实现三维成像，往往需要在轴向上引入额外的扫描机制，使焦点相对目标进行轴向平移，以获得不同焦平面的信息，如共焦显微镜和多光子显微镜。但扫描过程耗时较长，影响了成像速度，且需要复杂的光机系统设计，不利于系统的集成。超构表面可将多种功能集成到单片中，在三维成像领域也展现出了巨大的优势。三维成像系统根据照明方式可分为主动照明和被动照明：主动照明方式通过照明调制，透射可编码图案，对于暗场和低纹理的物体的三维成像更有优势，大多数应用于宏观物体的三维成像；被动照明方式适用于高反射物体和高透过率物体，在三维显微成像中应用广泛，常用的被动三维成像方法有基于透镜阵列的光场显微成像技术和基于点扩散函数调制的三维成像方法。
图10 超构表面三维成像
偏振成像利用光的偏振特性，测量和分析光与物质相互作用后的偏振状态的变化，获取样本表面的形状、纹理以及光学各向异性等信息。与传统的树脂或者石英材料制成的偏振元件不同，超构表面能够在亚波长尺度下实现像素化的偏振转换，这得益于与单元结构形状相关的双折射特性。因此，利用超构表面进行偏振测量，可以获得物体的全偏振图像。
图11 偏振成像超构表面
超构表面具有超轻、超薄和高度集成化的特性，为微型化成像系统提供了新的解决思路。同时，介质超构表面加工与标准的CMOS技术兼容，促进了其与硅光子器件的集成。超构透镜具有像差校正功能，可以替代传统的光学透镜，且能够实现许多传统光学透镜无法实现的功能。因此，在光学成像系统中，将超构表面与相机集成，可以在不影响成像性能的情况下，显著减小系统尺寸，同时具备无像差、宽视场和高分辨率等优点。
图12 基于超构表面的集成相机
结束语
综上所述，在过去十年中，光学模拟计算和光学成像在超构表面技术的推动下取得了巨大的发展，这些领域的重大进展将持续且深刻地影响着实际应用。目前，技术较为成熟的电子计算设备仍然占据主导地位，但全光运算在许多方面具有无可比拟的优势，具有以低能耗在光速下并行处理海量数据并进行光存储的潜力。
展望未来，要使基于超构表面的光学模拟计算和多功能光学成像技术产生更具有实用价值的应用，仍面临几大挑战。首先，超构表面的设计逐渐发展为更小的单元结构、更大的超构表面口径和更复杂的功能函数，需要发展精确的模型和快速的优化算法。逆向设计和机器学习技术为解决这一问题提供 了新的思路，通过非凸优化寻找理论上的最优设计。其次，对于产业化来说，需要开发大规模、大口径、复杂结构的超构表面加工工艺。现今广泛使用电子束光刻技术实现纳米精度超构表面制备，但对于大规模产业化来说，其加工面积仅限于微米级或毫米级，目前厘米级的应用仍处于实验室阶段，且成本较高，无法做到经济和高效。更为先进的加工技术，如深紫外光（DUV）/极紫外光（EUV）光刻、激光直写和纳米压印，有望实现低成本、高精度的大规模商业化生产。
超构表面具有丰富的光场调控自由度，但目前应用于全光计算的超构表面大多是基于线性系统理论的。结合非线性效应的物理机制、利用计算超构表面进行非线性模拟计算的研究仍处于起步阶段，这一技术在量子计算、量子存储、量子成像中有着巨大的潜力。此外，超构表面在天文望远镜中具有广阔的发展前景，受制于制造尺寸，目前的成像超构表面主要应用在摄影和显微领域。一般来说，天文成像需要较大的孔径来提高分辨率，因此，就目前的技术发展而言，超构表面在天文成像中的应用相对较少，这也为超构表面在天文成像领域的应用提供了机遇和挑战。
DOI: 10.3788/LOP241385
