由亞波長納米結(jié)構(gòu)組成的構(gòu)表面作為一種新興的顛覆性技術(shù)，能夠?qū)ο辔弧⒄穹?、偏振和色散等光場特性進行獨立調(diào)控，這對于波前調(diào)控元件、集成成像系統(tǒng)、可穿戴光電設備來說都具有重要的意義。

構(gòu)表面能夠以光速對輸入波信號進行復雜的模擬計算，為薄、快、高通量和高集成度的低功耗光學成像平臺的構(gòu)建提供了一種全新的方案。

哈爾濱工業(yè)大學儀器科學與工程學的郝慧捷團隊發(fā)表文章，結(jié)了基于構(gòu)表面的光學模擬計算和光學成像的*進展，從二者之間的基本聯(lián)系出發(fā)，討論了全光計算構(gòu)表面和構(gòu)表面成像系統(tǒng)之間的內(nèi)在聯(lián)系，詳細介紹了構(gòu)表面在這些領(lǐng)域的應用，*結(jié)了構(gòu)表面光學計算當前面臨的挑戰(zhàn)，并展望了未來的發(fā)展方向。

構(gòu)表面器件在光學模擬計算和光學成像中的功能和應用結(jié)

構(gòu)表面原理

一、振幅和相位調(diào)控

1、相位調(diào)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(xiàn)等效負折射率，但入射光調(diào)控效率低。近年來低損耗高折射率介質(zhì)材料受關(guān)注，基于介質(zhì)材料的納米結(jié)構(gòu)可取代金屬納米天線，惠更斯構(gòu)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(chǎn)生極化損耗下實現(xiàn)2π相位覆蓋，在各波段效率高且極化無關(guān)。

• 幾何相位：與光偏振態(tài)在龐加萊球上的幾何路徑有關(guān)，各向異性納米結(jié)構(gòu)交叉極化散射時產(chǎn)生額外相位，其值與單元結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度有關(guān)，可實現(xiàn)0-2π相位覆蓋，但單層調(diào)制效率低，全介質(zhì)材料可實現(xiàn)寬譜相位調(diào)制。

• 傳播相位：利用介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)波導效應產(chǎn)生光程差實現(xiàn)相位積累，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)形狀和尺寸調(diào)制入射光，常使用介質(zhì)柱或孔作為單元結(jié)構(gòu)，需高折射率介質(zhì)材料組成高深寬比結(jié)構(gòu)實現(xiàn)相位覆蓋，能在全偏振態(tài)下有效控制光，提高光轉(zhuǎn)換效率。

構(gòu)表面振幅和相位調(diào)制

2、振幅調(diào)制構(gòu)表面

通過局部調(diào)整單元結(jié)構(gòu)反射或透射特性實現(xiàn)振幅變化，馬呂斯構(gòu)表面受馬呂斯定律啟發(fā)，每個單元結(jié)構(gòu)可看作偏振調(diào)制器，通過改變納米結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角在亞波長分辨率下實現(xiàn)任意振幅調(diào)制，還能產(chǎn)生負振幅調(diào)控，這是傳統(tǒng)強度調(diào)制光學元件無法實現(xiàn)的。

二、多功能構(gòu)表面

多功能構(gòu)表面旨在單一元件實現(xiàn)多種功能，提高數(shù)據(jù)密度、縮小設備尺寸、降低功耗并增強系統(tǒng)兼容性。早期空間復用方法通過劃分構(gòu)表面空間區(qū)域?qū)崿F(xiàn)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(diào)制帶寬，常用于光學信息編碼和調(diào)制；偏振復用利用光的偏振正交性，如結(jié)合幾何相位和傳播相位實現(xiàn)正交偏振態(tài)獨立相位調(diào)控；波長復用通過設計在多個波長上獲得功能，構(gòu)透鏡在構(gòu)表面應用中商業(yè)化潛力大，其加工工藝與CMOS兼容，可大規(guī)模生產(chǎn)。

多功能構(gòu)表面示意圖

但構(gòu)透鏡存在色差、數(shù)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(xiàn)寬帶消色差，采用特殊結(jié)構(gòu)提高數(shù)值孔徑和視場角，如油浸法、組合構(gòu)透鏡結(jié)構(gòu)、增加孔徑光闌、逆向設計多層構(gòu)透鏡結(jié)構(gòu)等。

基于構(gòu)表面的光學模擬計算

大數(shù)據(jù)時代信息量劇增，新興技術(shù)對高速計算需求大，而傳統(tǒng)電子計算面臨工藝制程物理極限及量子隧穿等問題?；诠庾拥奶幚砥魇荜P(guān)注，其中基于構(gòu)表面的光學模擬計算近年興起。

它無需模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，能直接進行多種數(shù)學運算，且具有并行處理、光速計算和低功耗優(yōu)點，為圖像處理提供理想方法。后續(xù)將介紹其傅里葉域濾波法、格林函數(shù)法和光學差分法等計算方法。

構(gòu)透鏡示意圖

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(tǒng)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(jīng)傅里葉變換在共焦面產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)空間微分、積分、卷積等數(shù)學運算，其傳遞函數(shù)可通過線性系統(tǒng)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(guān)系與點擴散函數(shù)相關(guān)，通過調(diào)制傳遞函數(shù)可進行光學計算和信息處理。

基于透鏡的光學模擬計算原理

2、應用實例

Silva等提出的構(gòu)材料光學模擬計算系統(tǒng)類似4f系統(tǒng)，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(zhì)實現(xiàn)傅里葉變換和逆變換，構(gòu)傳輸陣列基本單元結(jié)構(gòu)由特定材料組成，通過控制局部傳遞函數(shù)調(diào)節(jié)透射波相位和振幅，該系統(tǒng)尺寸小且避免模數(shù)轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)延遲。

基于4f系統(tǒng)的光學計算方法多樣，如利用石墨烯等離子體構(gòu)線通過設定表面電導率調(diào)控透射振幅和相位實現(xiàn)模擬計算；反射式等離子體構(gòu)表面利用間隙表面等離子體共振實現(xiàn)微分和積分功能；介質(zhì)構(gòu)表面與GRIN透鏡耦合實現(xiàn)通信波長下的運算；還可通過單層惠更斯構(gòu)表面或集成化構(gòu)成像系統(tǒng)實現(xiàn)多種功能，如邊緣檢測、目標識別等，集成化構(gòu)成像系統(tǒng)由構(gòu)透鏡和復振幅調(diào)制器組成，可實時顯示全光卷積計算。

傅里葉域濾波法在光學模擬計算中的應用

二、格林函數(shù)法

1、原理特點

格林函數(shù)能在空間域直接實現(xiàn)所需傳遞函數(shù)，避免從空間域到頻域的變換。通過調(diào)整不同角度下的透射或反射系數(shù)，使其與系統(tǒng)傳遞函數(shù)一致，可利用納米結(jié)構(gòu)如亞波長衍射光柵、二維光子晶體等實現(xiàn)特定功能傳遞函數(shù)。亞波長衍射光柵在入射角滿足一定條件時可實現(xiàn)一階空間微分，二維光子晶體在特定條件下可實現(xiàn)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(tǒng)數(shù)值孔徑和分辨率受限，僅限于窄帶光譜低分辨率成像。

基于光子晶體的格林函數(shù)法光學模擬計算示意圖

2、多層膜結(jié)構(gòu)應用

多層膜結(jié)構(gòu)如相移布拉格光柵、基于表面等離激元的多層膜結(jié)構(gòu)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(shù)可近似為一階微分傳遞函數(shù)，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(jié)構(gòu)利用干涉效應執(zhí)行一階空間微分，多層索爾茲伯里屏可實現(xiàn)全光空間頻率濾波，但這些器件依賴共振激發(fā)，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(shù)值孔徑和光學分辨率。

基于多層膜和構(gòu)表面的格林函數(shù)法光學模擬計算示意圖

多層膜也可基于非諧振原理進行光學計算，如實現(xiàn)法向入射下的各向同性光學微分、積分等，構(gòu)表面也可用于基于格林函數(shù)法的光學計算，如實現(xiàn)邊緣檢測、定量相位成像等功能，如利用消色差構(gòu)透鏡陣列實現(xiàn)光場成像和邊緣檢測，或通過單個構(gòu)透鏡進行非線性計算成像。

三、光學差分法

核心思想與實現(xiàn)方式

差分通過將函數(shù)映射為兩個原始信號相減來實現(xiàn)邊緣增強，其核心思想是反映離散量之間的變化。

基于光學差分法的光學模擬計算

Zhou等提出的寬帶邊緣檢測光學系統(tǒng)利用幾何相位構(gòu)表面將入射線偏振光轉(zhuǎn)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(xiàn)一維光學微分，后擴展到二維實現(xiàn)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構(gòu)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(jié)果編碼到偏振相機不同通道，實現(xiàn)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(shù)的計算構(gòu)表面同時進行手性檢測和邊緣檢測。

基于構(gòu)表面光學計算

的多功能成像系統(tǒng)

一、相位成像

多數(shù)生物樣本為弱散射的“相位物體”，傳統(tǒng)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(fā)的光學成像系統(tǒng)利用自旋復用構(gòu)表面，通過改變?nèi)肷涔庾孕较?，在明場成像和螺旋相襯成像模式間切換，該構(gòu)表面將不同相位分布加載在入射光不同偏振態(tài)下形成空間濾波器。Kim等結(jié)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構(gòu)表面成像系統(tǒng)。

Kwon等構(gòu)建的微型定量相位梯度顯微鏡利用多功能介質(zhì)構(gòu)表面集成系統(tǒng)，結(jié)合三步相移法和DIC顯微鏡技術(shù)實現(xiàn)定量相位梯度成像。

Wang等利用計算構(gòu)表面取代傳統(tǒng)DIC顯微鏡中的元件，通過單次成像實現(xiàn)各向同性邊緣檢測。

Engay等提出的單極化相關(guān)全介質(zhì)構(gòu)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(zhì)構(gòu)表面獨立控制正交極化狀態(tài)特性，同時采集兩幅圖像作為輸入求解相位分布。

構(gòu)表面相位成像

二、三維成像

傳統(tǒng)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，構(gòu)表面在三維成像領(lǐng)域優(yōu)勢顯著。

三維成像系統(tǒng)根據(jù)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(yōu)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(xiàn)三維重建。

Lin等使用消色差構(gòu)透鏡陣列替代微透鏡陣列實現(xiàn)全彩光場相機，Jin等展示了生成三維點擴散函數(shù)的構(gòu)表面，后基于惠更斯原理設計集成化構(gòu)表面實現(xiàn)單透鏡三維成像。

主動式照明三維成像技術(shù)如雙構(gòu)表面級聯(lián)系統(tǒng)組成的Moiré構(gòu)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(xiàn)高分辨率3D成像，如在光學相干斷層掃描中取得良好效果。

構(gòu)表面三維成像

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。構(gòu)表面能在亞波長尺度實現(xiàn)像素化偏振轉(zhuǎn)換，得益于單元結(jié)構(gòu)雙折射特性。

Yang等基于透射式全介質(zhì)構(gòu)透鏡提出廣義Hartmann-Shack陣列，由集成在單目相機上的構(gòu)透鏡陣列組成，每個像素由多個構(gòu)透鏡組成，單次成像可得到多種偏振狀態(tài)用于重構(gòu)Stokes參數(shù)。

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(tài)，克服傳統(tǒng)偏振相機效率限制。

Rubin等利用構(gòu)表面衍射光柵，無需傳統(tǒng)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(tài)，通過單幀實現(xiàn)偏振成像，利用二維光柵單元結(jié)構(gòu)分析特定偏振態(tài)，重建Mueller矩陣得到Stokes矢量元素。

偏振成像構(gòu)表面

四、集成化成像系統(tǒng)

構(gòu)表面為微型化成像系統(tǒng)提供新思路，其加工與CMOS技術(shù)兼容，構(gòu)透鏡可替代傳統(tǒng)光學透鏡。

Arbabi等提出的微型平板相機將組合構(gòu)表面與圖像傳感器集成，組合構(gòu)表面由兩個精密對準的構(gòu)表面組成，分別實現(xiàn)像差校正和光線會聚，與CMOS垂直堆疊。

Martins等搭建的系統(tǒng)使用單層構(gòu)透鏡構(gòu)建集成化成像系統(tǒng)，通過3D打印外殼連接構(gòu)透鏡與CMOS成像傳感器實現(xiàn)高分辨率寬視場成像。

Xu等提出用固態(tài)透明光學膠帶將硅基構(gòu)透鏡固定在CMOS圖像傳感器上，并通過改變膠帶厚度調(diào)整距離。

Li等在CMOS傳感器上直接集成構(gòu)透鏡實現(xiàn)緊湊近紅外顯微成像裝置，后開發(fā)出基于集成化平面構(gòu)透鏡陣列的廣角成像系統(tǒng)，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構(gòu)透鏡顯微成像系統(tǒng)實現(xiàn)大視場和大景深成像。

此外，構(gòu)表面還可實現(xiàn)特殊成像功能，如Guo等受跳蛛啟發(fā)提出的緊湊型深度傳感器，利用構(gòu)透鏡在圖像傳感器不同區(qū)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相機和構(gòu)表面的微型化OAM分類器件、基于多路復用構(gòu)表面的衍射神經(jīng)網(wǎng)絡與CMOS集成實現(xiàn)片上多通道傳感等。

基于構(gòu)表面的集成相機

結(jié)論與展望

過去十年，構(gòu)表面助力光學模擬計算與成像發(fā)展且聯(lián)系緊密，在多需求推動下發(fā)揮重要融合作用。但仍面臨挑戰(zhàn)，設計上需模型與優(yōu)化算法，產(chǎn)業(yè)化需新加工工藝，雖現(xiàn)有技術(shù)可納米精度制備但規(guī)模受限。構(gòu)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(fā)新材與結(jié)構(gòu)，突破現(xiàn)有局限，有望帶來新變革，在多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響。

聲明：本文僅用作學術(shù)目的。文章來源于：郝慧捷, 王新偉, 劉儉, 丁旭旻. 基于構(gòu)表面的光學計算與*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.