超構表面助力光學模擬計算與成像發展
由亞波長納米結構組成的超構表面作為一種新興的顛覆性技術，能夠對相位、振幅值、偏振和色散等光場特性進行獨立調控，這對于波前調控元件、集成成像系統、可穿戴光電設備來說都具有重要的意義。
超構表面能夠以光速對輸入波信號進行復雜的模擬計算，為超薄、超快、高通量和高集成度的低功耗光學成像平臺的構建提供了一種全新的方案。
哈爾濱工業大學儀器科學與工程學院的郝慧捷團隊發表文章，總結了基于超構表面的光學模擬計算和光學成像的最新進展，從二者之間的基本聯系出發，討論了全光計算超構表面和超構表面成像系統之間的內在聯系，詳細介紹了超構表面在這些領域的應用，最后總結了超構表面光學計算當前面臨的挑戰，并展望了未來的發展方向。
超構表面原理
一、振幅和相位調控1、相位調制方法
- 共振相位：早期研究利用等離子體金屬諧振單元操縱電磁波，實現等效負折射率，但入射光調控效率低。近年來低損耗高折射率介質材料受關注，基于介質材料的納米結構可取代金屬納米天線，惠更斯超構表面利用電極化電流和磁極化電流操縱電磁波面，能在不產生極化損耗下實現2π相位覆蓋，在各波段效率高且極化無關。
- 幾何相位：與光偏振態在龐加萊球上的幾何路徑有關，各向異性納米結構交叉極化散射時產生額外相位，其值與單元結構旋轉角度有關，可實現0-2π相位覆蓋，但單層調制效率低，全介質材料可實現寬譜精確相位調制。
- 傳播相位：利用介質納米結構波導效應產生光程差實現相位積累，通過調整結構形狀和尺寸調制入射光，常使用介質柱或孔作為單元結構，需高折射率介質材料組成高深寬比結構實現相位覆蓋，能在全偏振態下有效控制光，提高光轉換效率。
通過局部調整單元結構反射或透射特性實現振幅變化，馬呂斯超構表面受馬呂斯定律啟發，每個單元結構可看作偏振調制器，通過改變納米結構旋轉角在亞波長分辨率下實現任意振幅調制，還能產生負振幅調控，這是傳統強度調制光學元件無法實現的。
二、多功能超構表面
多功能超構表面旨在單一元件實現多種功能，提高數據密度、縮小設備尺寸、降低功耗并增強系統兼容性。早期空間復用方法通過劃分超構表面空間區域實現不同功能，但復雜應用場景下會增加尺寸和串擾。
角動量復用、極化復用和波長復用等方法克服了功能集成和設備尺寸限制。軌道角動量復用可增大調制帶寬，常用于光學信息編碼和調制；偏振復用利用光的偏振正交性，如結合幾何相位和傳播相位實現正交偏振態獨立相位調控；波長復用通過設計在多個波長上獲得功能，超構透鏡在超構表面應用中商業化潛力大，其加工工藝與CMOS兼容，可大規模生產。
但超構透鏡存在色差、數值孔徑和視場角等問題，通過多種方法改進，如引入導模共振實現寬帶消色差，采用特殊結構提高數值孔徑和視場角，如油浸法、組合超構透鏡結構、增加孔徑光闌、逆向設計多層超構透鏡結構等。
基于超構表面的光學模擬計算
大數據時代信息量劇增，新興技術對高速計算需求大，而傳統電子計算面臨工藝制程物理極限及量子隧穿等問題。基于光子的處理器受關注，其中基于超構表面的光學模擬計算近年興起。它無需模擬信號到數字信號轉換，能直接進行多種數學運算，且具有并行處理、光速計算和低功耗優點，為圖像處理提供理想方法。后續將介紹其傅里葉域濾波法、格林函數法和光學差分法等計算方法。
一、傅里葉域濾波法
1、基本原理
基于透鏡的傅里葉變換，在4f系統中，當滿足薄透鏡近似和傍軸近似條件時，透鏡可視為傅里葉透鏡，前后透鏡焦面重合，物體置于前焦面，經傅里葉變換在共焦面產生二維空間傅里葉頻譜，第二個透鏡再進行傅里葉變換將處理后的圖像呈現在像平面。通過在傅里葉平面上設計振幅和相位掩模，可實現空間微分、積分、卷積等數學運算，其傳遞函數可通過線性系統理論進行空間頻率分析，光學成像模型可用卷積描述，輸入輸出圖像復振幅關系與點擴散函數相關，通過調制傳遞函數可進行光學計算和信息處理。
2、應用實例
Silva等提出的超構材料光學模擬計算系統類似4f系統，由傅里葉變換、空間傅里葉濾波、傅里葉逆變換模塊組成，使用二維梯度折射介質實現傅里葉變換和逆變換，超構傳輸陣列基本單元結構由特定材料組成，通過控制局部傳遞函數調節透射波相位和振幅，該系統尺寸小且避免模數轉換和系統延遲。
基于4f系統的光學計算方法多樣，如利用石墨烯等離子體超構線通過設定表面電導率調控透射振幅和相位實現模擬計算；反射式等離子體超構表面利用間隙表面等離子體共振實現微分和積分功能；介質超構表面與GRIN透鏡耦合實現通信波長下的運算；還可通過單層惠更斯超構表面或集成化超構成像系統實現多種功能，如邊緣檢測、目標識別等，集成化超構成像系統由超構透鏡和復振幅調制器組成，可實時顯示全光卷積計算。
二、格林函數法
1、原理特點
格林函數能在空間域直接實現所需傳遞函數，避免從空間域到頻域的變換。通過調整不同角度下的透射或反射系數，使其與系統傳遞函數一致，可利用納米結構如亞波長衍射光柵、二維光子晶體等實現特定功能傳遞函數。亞波長衍射光柵在入射角滿足一定條件時可實現一階空間微分，二維光子晶體在特定條件下可實現各向同性高通、低通、帶阻和帶通濾波器，但基于光子晶體的系統數值孔徑和分辨率受限，僅限于窄帶光譜低分辨率成像。
2、多層膜結構應用
多層膜結構如相移布拉格光柵、基于表面等離激元的多層膜結構等可用于光學計算。相移布拉格光柵在一定入射條件下反射系數可近似為一階微分傳遞函數，法向入射時可進行拉普拉斯變換；基于表面等離激元的多層膜結構利用干涉效應執行一階空間微分，多層索爾茲伯里屏可實現全光空間頻率濾波，但這些器件依賴共振激發，在寬帶應用受限且效率有限，僅能在反射模式下工作，無法任意設計數值孔徑和光學分辨率。
多層膜也可基于非諧振原理進行光學計算，如實現法向入射下的各向同性光學微分、積分等，超構表面也可用于基于格林函數法的光學計算，如實現邊緣檢測、定量相位成像等功能，如利用消色差超構透鏡陣列實現光場成像和邊緣檢測，或通過單個超構透鏡進行非線性計算成像。
三、光學差分法
核心思想與實現方式
差分通過將函數映射為兩個原始信號相減來實現邊緣增強，其核心思想是反映離散量之間的變化。
Zhou等提出的寬帶邊緣檢測光學系統利用幾何相位超構表面將入射線偏振光轉換為空間位置分離的LCP光和RCP光，通過檢偏器消除重疊分量，輸出電場與輸入場一階空間微分近似成正比，實現一維光學微分，后擴展到二維實現各向同性光學邊緣成像。
該方法還可用于定量相位成像，如傅里葉光學自旋分裂顯微鏡通過超構表面在成像平面形成兩個不重疊圖像，將不同偏振延遲下成像結果編碼到偏振相機不同通道，實現樣品定量相位成像和定量相位梯度成像；還可利用基于弱值放大技術的計算超構表面同時進行手性檢測和邊緣檢測。
基于超構表面光學計算的多功能成像系統
一、相位成像多數生物樣本為弱散射的“相位物體”，傳統光學顯微鏡對其成像對比度低。相位成像可直接可視化相位信息，常見方法有螺旋相襯法、Nomarski微分干涉相襯法、強度傳輸方程法等。
Huo等開發的光學成像系統利用自旋復用超構表面，通過改變入射光自旋方向，在明場成像和螺旋相襯成像模式間切換，該超構表面將不同相位分布加載在入射光不同偏振態下形成空間濾波器。Kim等結合雙曲相位和拓撲電荷為1的螺旋相位，將成像和邊緣檢測功能融合到單層超構表面成像系統。
Kwon等構建的微型定量相位梯度顯微鏡利用多功能介質超構表面集成系統，結合三步相移法和DIC顯微鏡技術實現定量相位梯度成像。
Wang等利用計算超構表面取代傳統DIC顯微鏡中的元件，通過單次成像實現各向同性邊緣檢測。
Engay等提出的單極化相關全介質超構表面通過迭代計算強度傳輸方程進行相位成像，利用全介質超構表面獨立控制正交極化狀態特性，同時采集兩幅圖像作為輸入求解相位分布。
二、三維成像
傳統明場光學顯微鏡難以對厚樣品單次成像獲取所有平面特征，超構表面在三維成像領域優勢顯著。
三維成像系統根據照明方式分為主動和被動照明，主動照明對暗場和低紋理物體成像有優勢，被動照明在三維顯微成像中應用廣泛。光場顯微鏡是被動照明方式的一種，通過引入微透鏡陣列捕獲入射光二維位置和角度信息，后期處理實現三維重建。
Lin等使用消色差超構透鏡陣列替代微透鏡陣列實現全彩光場相機，Jin等展示了生成三維點擴散函數的超構表面，后基于惠更斯原理設計集成化超構表面實現單透鏡三維成像。
主動式照明三維成像技術如雙超構表面級聯系統組成的Moiré超構透鏡用于生物樣本高對比度變焦熒光成像，雙射照明收集成像通過設計照明和收集路徑實現高分辨率3D成像，如在光學相干斷層掃描中取得良好效果。
三、偏振成像
偏振成像利用光的偏振特性獲取樣本表面形狀、紋理和光學各向異性等信息。超構表面能在亞波長尺度實現像素化偏振轉換，得益于單元結構雙折射特性。
Yang等基于透射式全介質超構透鏡提出廣義Hartmann-Shack陣列，由集成在單目相機上的超構透鏡陣列組成，每個像素由多個超構透鏡組成，單次成像可得到多種偏振狀態用于重構Stokes參數。
Arbabi等引入新偏振劃分原理，基于三對不同偏振基的偏振分裂和聚焦表征偏振態，克服傳統偏振相機效率限制。
Rubin等利用超構表面衍射光柵，無需傳統偏振光學元件和機械部件，在每個成像像素上獲得物體偏振態，通過單幀實現偏振成像，利用二維光柵單元結構分析特定偏振態，重建Mueller矩陣得到Stokes矢量元素。
四、集成化成像系統
超構表面為微型化成像系統提供新思路，其加工與CMOS技術兼容，超構透鏡可替代傳統光學透鏡。
Arbabi等提出的微型平板相機將組合超構表面與圖像傳感器集成，組合超構表面由兩個精密對準的超構表面組成，分別實現像差校正和光線會聚，與CMOS垂直堆疊。
Martins等搭建的系統使用單層超構透鏡構建集成化成像系統，通過3D打印外殼連接超構透鏡與CMOS成像傳感器實現高分辨率寬視場成像。
Xu等提出用固態透明光學膠帶將硅基超構透鏡固定在CMOS圖像傳感器上，并通過改變膠帶厚度調整距離。
Li等在CMOS傳感器上直接集成超構透鏡實現緊湊近紅外顯微成像裝置，后開發出基于集成化平面超構透鏡陣列的廣角成像系統，通過定義補償相位對大視角場景成像，進一步縮小尺寸建立芯片式超構透鏡顯微成像系統實現大視場和大景深成像。
此外，超構表面還可實現特殊成像功能，如Guo等受跳蛛啟發提出的緊湊型深度傳感器，利用超構透鏡在圖像傳感器不同區域形成不同深度散焦圖案，通過算法解算深度信息；還有集成CMOS相機和超構表面的微型化OAM分類器件、基于多路復用超構表面的衍射神經網絡與CMOS集成實現片上多通道傳感等。
結論與展望
過去十年，超構表面助力光學模擬計算與成像發展且聯系緊密，在多需求推動下發揮重要融合作用。但仍面臨挑戰，設計上需精確模型與優化算法，產業化需新加工工藝，雖現有技術可納米精度制備但規模受限。超構表面在全光計算、天文成像等方面潛力大但應用受限。未來需探索非線性效應、開發新材與結構，突破現有局限，有望帶來新變革，在多領域產生深遠影響。
聲明：本文僅用作學術目的。文章來源于：郝慧捷, 王新偉, 劉儉, 丁旭旻. 基于超構表面的光學計算與先進成像（特邀）[J]. 激光與光電子學進展, 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.
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