面向偏振成像的超构表面器件功能原理和未来趋势

偏振成像在信息获取的维度上不同于光强或光谱等传统成像技术，不仅能采集场景的二维空间分布信息，还可获取偏振度、偏振角和椭圆度等偏振特性参量。偏振成像技术在目标探测、水下成像、生命科学、环境监测、三维成像等领域具有广阔的应用前景。

为解算场景的偏振态信息，偏振成像系统需要采集多幅偏振态互异的强度影像，其中偏振分光或滤光器件起到关键作用，它不仅决定偏振成像系统的探测模式、谱段范围和分辨率等光学性能，也在很大程度上影响了系统整机的架构、体积、质量等指标。随着微纳加工技术的发展，利用微纳加工工艺在半导体衬底上制备微纳结构从而调控光场偏振特性的光功能器件，因其轻量化、集成度高、结构稳定性好等优点受到了研究人员的青睐。目前，微纳结构偏振器件亚波长金属线栅的发展较为成熟，已实现从可见光波段到红外波段的产品系列化。超构表面（Metasurfaces）作为超构材料的二维平面形式，兼具工艺可实施性和光场多维调控能力，成为研究人员新的追逐方向。基于超构表面的偏振器件可同时调控光场的TM偏振和TE偏振分量，从而理论上使器件的能量利用效率突破50%。

据麦姆斯咨询报道，近期，西北工业大学、西安现代控制技术研究所与北京理工大学的联合科研团队在《中国光学（中英文）》期刊上发表了以“面向偏振成像的超构表面研究进展”为主题的综述文章。该文章第一作者是周俊焯博士，主要从事微纳偏振器件、偏振成像系统及其应用方面的研究；通讯作者是虞益挺教授，主要从事微纳光学成像与传感技术方面的研究。

该文章针对偏振成像领域，综述相关超构表面的功能原理、发展脉络和未来趋势，讨论并展望其在成像应用和系统集成方面所面临的挑战与未来。

面向偏振成像的超构表面器件

超构表面调控光场的研究热潮兴起于2011年哈佛大学Capasso课题组的一项研究工作。该工作基于费马原理提出广义斯涅尔定律，指出在两介质的交界面上对光波施加离散的相位突变即可调控波前，并基于V型等离激元天线结构设计了波束偏转器和涡旋相位板。超构表面体现出对光场精细调控的能力，引起科研人员对于微纳光子学器件浓厚的研究兴趣，由此基于超构表面的波片、偏振调控全息、特殊光场生成器等器件被陆续提出。

针对偏振成像领域，基于超构表面的偏振器件，可分为光栅型和透镜型两类。光栅型偏振成像超构表面将不同偏振态的光映射到光栅的不同衍射级次，通过搭配后置透镜会聚光束到探测器焦平面，从而实现分孔径型偏振成像；透镜型偏振成像超构表面则将入射光按照预设的偏振态分束，并分别会聚到指定焦点位置处，可实现分焦平面型或分孔径型偏振成像。两者均有望代替亚波长金属线栅集成到偏振成像系统中，并突破后者的能量利用效率极限。尽管超构表面能对TM偏振光和TE偏振光进行空间复用，但其能量利用效率的提升并非一蹴而就。构成超构表面的基本单元经历了从等离激元结构，到间隙表面等离激元结构，最后到全电介质结构的演变过程。

基于等离激元结构

早期的超构表面采用金或银等金属材料作为其结构材料，这是因为它们具有高的电子密度和电导率，使其在红外或微波波段具有良好的性能表现。但在可见光波段，电磁波频率接近自由电子共振频率，电磁波入射金属结构会引起金属内部自由电子的集体振荡，即等离激元现象，导致入射波能量转化为自由电子振动能量，从而使基于等离激元结构的超构表面体现出很强的金属损耗，通常其能量利用效率不会超过10%。为提高超构表面的能量利用效率，研究人员采用间隙表面等离激元结构设计超构表面。间隙表面等离激元（GSP）结构是在金属纳米谐振器和金属膜层之间插入亚波长厚度的电介质隔层，通过电介质隔层上下两侧的表面等离激元耦合实现光场增强，从而提高器件的光能利用效率。

图1 基于等离激元结构和全电介质结构的超构表面。（a）基于GSP结构的全斯托克斯偏振测定光栅型超构表面；（b）该光栅型超构表面由3组相位梯度不同的微纳结构阵列组成，可调控(x, y)、(a, b)、(l, r)正交偏振态；（c）基于GSP结构的光栅型圆偏振分光超构表面；（d）基于GSP的透镜型偏振分光超构表面；（e）超构单元包含2种TiO₂微纳结构，分别调控左旋和右旋偏振光；（f）圆二色性甲虫外骨骼成像实验；（g）超像元由分别会聚x，y，a，b，l，r偏振态的超构透镜组成；（h）该超构表面可作为Hartmann-Shack波前传感器，径向偏振光的强度分布（左），解析得到的偏振轮廓图（右）

基于全电介质结构

为进一步提高能量利用效率，并实现工作于透射模式的偏振分光超构表面，研究人员考虑使用低损耗的电介质材料作为超构表面的结构材料。由于避免导体电子与光波作用产生的等离激元现象，电介质结构单元对光场的振幅和相位调制量随结构尺寸的变化较为平滑，不存在振幅相位突变点，这有助于结构单元排列。

基于几何相位和传输相位

由于电介质材料具有较大的折射率和较小的衰减系数，因此电介质超构表面可以避免欧姆损耗和材料色散等问题。此外，电介质超构表面的制造工艺与半导体金属氧化物制造工艺兼容，有望实现光功能芯片和电子电路芯片的一体化集成。然而，上述超构表面设计通过交织排列对不同偏振态光进行调控的微纳结构阵列，从而实现多种偏振态的分束聚焦，这种分割孔径的设计方法或对单偏振模态进行滤光的工作机理使其能量利用效率极限仅为50%，未能充分展现超构表面多维光场联合调控的优势。利用几何相位和传输相位相结合的光场调控方法可实现对正交偏振态的同时调制，进而突破传统方法的能量利用效率极限。几何相位是电磁波在偏振态转换过程中，各向异性结构的几何旋转会使之产生一个额外的相位，由1956年印度科学家Pancharatnam和1984年英国理论物理学家Berry分别独立研究发现，故也称为Pancharatnam-Berry相位。传输相位和几何相位结合调控光场的方法，也可用于构造单透镜型偏振分光超构表面，实现分孔径偏振成像。

图2 基于几何相位和传输相位原理的全电介质超构表面。（a）由非晶硅纳米椭圆柱构建的超构表面；（b）光栅型偏振分光超构表面、透镜型偏振分光超构表面、偏振调控全息超构表面和偏振调控特殊光场生成超构表面；（c）透镜阵列型偏振分光超构表面；（d）目标偏振图案（左）、基于常规偏振成像方法得到的偏振图案（中）、基于超构表面得到的偏振图案（右）；（e）单透镜型偏振分光超构表面；（f）3块偏振分光超构透镜拼成的超构表面；（g）6种基本偏振态入射，超构表面的偏振分束聚焦效果实验与仿真的比较

超构表面系统集成研究

器件研究的最终目的是其系统集成。2019年，哈佛大学的Rubin等基于矩阵傅里叶光学设计光栅型偏振分光超构表面，并将其集成于相机系统实现偏振成像。

图3 基于矩阵傅里叶光学的光栅型偏振分光超构表面的原理、成像及系统。（a）光栅型偏振分光超构表面原理图；（b）搭配后置透镜和探测器可实现偏振成像；（c）4种非常规偏振态；（d）集成该超构表面的全斯托克斯偏振成像系统；（e）偏振测定图像；（f）偏振角图像；（g）全斯托克斯偏振测定模块

以上内容以能量利用效率主线，介绍基于等离激元结构和全电介质结构的偏振成像超构表面。两种超构表面按照其功能形式，可分为光栅型和透镜型，透镜型偏振成像超构表面根据其结构形式又可分为单透镜型和透镜阵列型；按照其工作机制，可分为滤光型和分光型。表1列出本节详细阐述的超构表面的工作波段、能量效率、工作模式、制备材料、加工工艺及其功能形式。

表1 本节详细阐述的超构表面特性比较

未来发展方向

不论何种功能类型的超构表面器件，其底层机理都是微纳结构单元在该点处对光场两正交偏振方向的振幅和相位调制，最终使得整块超构表面的光学响应等于各离散点光学响应在空间上的线性叠加，因此超构表面的设计可以归结于超构单元及其排列方式的设计。超构表面的未来发展就是以超构单元为切入点，对其材料、性态、结构、排列等属性进行优化，例如耦合波导超构单元设计、机器学习辅助超构单元排列、基于活性材料的超构单元设计等。面向偏振成像的超构表面在上述发展趋势的共性中体现出个性，表现为对工作波段、偏振性能、设计效率和可调特性的紧密关切。目前，超构透镜是超构表面产业化的主流方向，许多宽带消色差、机器学习辅助设计和动态可调研究是针对超构透镜的，但是“千举万变，其道一也”，面向超构透镜的优化设计方法对偏振成像超构表面也极具参考价值，尤其是透镜型偏振成像超构表面。下面将介绍超构透镜在宽带消色差、机器学习辅助设计和动态可调方面的研究工作，并着重阐述这些研究方法对偏振成像超构表面所具备的可迁移性。

大带宽消色差偏振成像超构表面

超构表面器件具有色散效应，一方面是由于电磁波传播过程中的累积相位与波长相关，另一方面是超构单元的电磁响应特性受波长影响。不同于传统折射光学元件，超构表面对电磁波的偏折角随波长增大而增大，呈现反常色散现象。对于超构透镜，其波长依赖的焦距导致像平面产生色差，严重影响成像质量。目前已有许多针对超构透镜的宽带消色差方法，主要思路是使各个位置处超构单元的色散特性满足超构透镜对随波长变化的聚焦相位需求。

图4 宽带消色差偏振分光超构表面。（a）耦合矩形电介质波导结构；（b）聚焦相位可分为基础相位和色散相位；（c）特殊设计的微纳金属结构单元存在数个谐振峰；（d）实验和仿真得到的2种偏振态下超构透镜焦长随波长的变化情况；（e）2种线偏振光入射时测得的散射场强度分布图；（f）近红外波段消色差多维探测超构透镜阵列；（g）XLP和LCP入射时测得的散射场强度分布图

透镜型偏振成像超构表面的设计原理与超构透镜类似，不同之处在于前者的焦点位置与入射光波偏振特性相关，这是通过各向异性超构单元的双折射效应实现的，由此单元排列而成的超构表面对正交偏振态呈现出两种独立的相位分布和振幅调制。因此参考超构透镜的宽带消色差方法，透镜型偏振分光超构表面宽带消色差的关键在于引入偏振相关的相位补偿。论文中研究提出的宽带消色差透镜型偏振分光超构表面设计已初见成效，然而超构表面的尺寸与其消色差范围存在内禀的制约关系，致使该类器件尺寸十分有限。为突破参量间的制约关系并进而提升超构表面的综合性能，还需要对超构单元调制方式进行机理性研究。

机器学习辅助超构表面设计

尽管已有一些经典的物理模型对超构表面的工作原理作出解释，并指导超构单元的结构设计及其排列方式，然而随着人们对超构表面要求的不断提高，结构单元更加复杂、结构数量指数上升、结构分布更加任意，这些都使得严格从物理模型推导超构表面的设计方法已经不能满足人们的需求，必须借助算法来优化和设计超构表面。机器学习是一种人工智能实现方法，近年来被广泛应用于工业生产、科学研究、医药诊断、经济分析等领域，其通过数据驱动的思想建模，不直接引入人为设定的规则，而是从大量数据中学习得到研究目标的规律和特征，为微纳光子学器件的结构设计提供了崭新的方向。

机器学习方法可通过优化微纳光子学器件的结构排布实现器件性能的优化。基于物理模型的超构表面设计方法首先根据器件功能的需要，计算出超构表面各点所需的振幅调制和相位突变量，通过数值仿真软件扫描超构单元结构参数，得到不同形状超构单元及其光学响应的数据库，从数据库中挑选最符合预期的结构单元。但当超构单元结构参数较多、步长划分较细时，基于全模数值仿真方法的超构表面设计周期很长。

图5 基于机器学习的微纳光子学器件设计。（a）可见光波段消色差多阶衍射透镜；（b）二分搜索算法流程;（c）逆向设计神经网络；（d）透镜型偏振分光超构表面；（e）端到端的统计机器学习框架；（f）多频率点透镜型偏振分光超构表面的仿真和实验效果

逆向设计网络将电磁响应作为输入，超构单元结构参数作为输出。但由期望的相位响应找到超构单元的最优结构参数并非是一个简单的反问题，特别是在考虑多频率点和偏振的情况下。例如，对于给定的相位要求是否存在物理上可行的超构单元结构，或者如何充分利用参数空间以最优近似这样的相位要求，均是逆向设计网络需要克服的难题。

尽管机器学习模型可以在海量数据的支持下不断迭代优化其性能，但传统的机器学习仅适应于特定的特征空间和数据分布，针对不同任务缺乏泛化能力，在物理本质相近但应用场景稍有不同的情境下即面临失效的风险。目前，超构表面设计领域的机器学习模型通常用于结构单元的尺寸优化，而难以实现其形状优化，但不同形状超构单元因其具有不同的电磁耦合模式而在大带宽消色差、大入射角范围、高偏振消光比超构表面设计中起到关键作用。因此，增强机器学习模型在不同超构单元形状间的迁移能力，并使其实现多耦合结构超构单元的电磁响应预测是该领域未来需要探究的方向之一。此外，目前机器学习方法优化得到的模型参数不具备可解释性，其设计结果难以帮助研究者参透器件设计的真正奥义，如果没有底层地对器件机理的深入了解，超构表面性能提升终将迎来瓶颈。因此，如何从机器学习模型中提取其物理含义或增强机器学习模型的可解释性是该领域至关重要的命题。

动态可调偏振成像超构表面

大多数超构表面的材料和结构一旦固定下来，其功能往往也是确定的。但某些应用场合要求超构表面具有焦距动态可调的能力，例如：在显微成像、目标探测等领域，需要成像系统具有可调的视场范围和成像放大率；在极端工作温度环境中，需要成像系统能补偿因环境温度偏离预设工作温度而导致的光学离焦。目前，商业变焦镜头是在镜头中加入一组活动透镜实现变焦，但其驱动机构体积庞大，致使成像系统集成困难。焦距动态可调超构透镜为集成式变焦成像系统提供了一种解决方案。

焦距动态可调超构透镜主要基于结构重组和活性材料两种方法。基于结构重组的焦距动态可调超构透镜通过改变结构单元的排列、形状和方向，使得局部场态或整个系统的光学响应伴随变化，结构重组通常利用柔性拉伸材料或微机电系统。

图6 焦距动态可调超构透镜。（a）基于柔性基底的动态可调超构透镜；（b）纵向间距可调的超构透镜组，原理示意图（左）、器件的光学显微镜图像（右上）、两超构透镜键合示意图（右下）；（c）液晶浸润实现焦点动态调制；（d）基于超低损耗相变材料Sb₂S₃的近红外热调控变焦超构透镜；（e）环向拉伸实现焦距动态可调偏振分光超构透镜；（f）器件焦距和能量透射率随单元周期的变化曲线；（g）不同单元周期下电场能量随纵轴方向的变化曲线

基于活性材料（AMs）的超构透镜，将活性材料作为超构透镜的功能单元或周围环境介质的一部分，利用活性材料的光学参数可随电、磁、热等外部激励而变化的特性，实现动态调焦。典型的活性材料有液晶、半导体、相变材料、石墨烯等。

为验证焦距动态可调超构透镜设计方法对偏振成像超构表面具有可迁移性，本文基于传输相位原理设计将正交线偏振态分束聚焦的全硅超构表面，利用有限时域差分方法（FDTD）仿真研究拉伸基底时透镜型偏振分光超构表面的聚焦特性。

总结与展望

物体表面散射光的偏振态蕴含其形貌特征及理化特性等信息，使得偏振成像技术在目标探测、水下成像、生命科学、环境监测、三维成像等领域具有重要的应用价值。偏振分光棱镜、染料系偏振片等传统偏振器件难以满足高集成、高性能、高可靠性偏振成像系统的需求。随着微纳制造技术的发展，微纳结构偏振器件因其良好的光学性能和可靠的结构稳定性，得到科研人员的青睐。亚波长金属线栅被证实具有较宽的工作波段，能在较大的入射角范围和温度范围内具有优异的偏振性能表现；利用等效介质理论可以较准确解释其光学性能；较少的可调参数允许有限时域差分（FDTD）或严格耦合波分析（RCWA）方法可快速寻找到最优结构参数解，使得该类器件的设计和优化过程较为简单；纳米压印技术允许该类器件的批量生产，双光束干涉曝光方法支持该类器件的快速制样，因此亚波长金属线栅的产品化、系列化已较为成熟。然而，亚波长金属线栅仅利用了入射光中的TM偏振模式，原理上存在50%的能量利用效率极限。基于亚波长金属线栅的偏振成像系统在低光能量的杂乱场景中难以达到预期的成像效果。二维超构材料，即超构表面，兼具工艺易施性和多维光场参量调控能力，可以独立调控入射光中的TM偏振和TE偏振分量，从而突破亚波长金属线栅的能量利用效率极限。

面向偏振成像应用的超构表面，可分为光栅型和透镜型两类，两者均可集成于偏振成像系统。为实现高能量利用效率偏振器件，超构表面单元结构从最初的等离激元结构，发展到间隙表面等离激元结构和全电介质结构。等离激元结构超构表面因其本征的欧姆损耗导致其能量利用效率不超过10%；间隙表面等离激元结构利用电介质隔层两面的表面等离激元耦合实现光场增强，但仅工作于反射模式下，且此类谐振式超构表面的工作带宽较窄；全电介质结构基于几何相位和传输相位结合的光场调控原理，可实现高能量利用效率的透射式偏振器件。未来为实现偏振成像超构表面器件的产品化，还需探究宽带消色差、机器学习辅助设计、功能动态可调的偏振成像超构表面设计方法。

集成超构表面的分焦平面型偏振成像系统

2019年，Capasso课题组搭建集成全电介质光栅型超构表面的分孔径型偏振成像系统，实现超构表面在系统集成领域的里程碑式突破。然而，分孔径型偏振成像系统将不同偏振态的图像映射到焦平面的不同区域，存在焦平面分辨率损失的缺点；此外，为解析场景偏振态，通常要求几幅图像的配准误差小于1/10个像素，这与分孔径成像系统固有的视场误差相矛盾，需要后期对图像进行配准处理。分焦平面偏振成像系统可以克服分孔径型偏振成像系统的缺点，焦平面上分像素级的互异偏振态成像，不仅允许使用插值算法恢复其图像分辨率，而且其视场误差满足偏振态重构的需求。透镜阵列型偏振成像超构表面因其具有像素级的分偏振态会聚能力，有望构建分焦平面偏振成像系统；且其能提供数倍于波长的焦距，可避免传统亚波长金属线栅与探测器复杂的对准贴装工艺。然而，器件的焦点和探测器的感光像元存在一一对应关系，对器件的位置精度提出极高要求；此外，设计焦距可能达到超构表面本身尺寸的数倍，从而导致较小的数值孔径值，减弱器件对光的收集能力，这是另一个需要克服的难点。

高效率、大孔径超构表面加工方法

超构表面为实现产业化，通常需要根据场景定制功能，因此对其进行快速制样的加工技术必不可少。然而不同于亚波长金属线栅，超构表面的功能依赖于空间变化的结构单元形貌，这意味着大范围且精细的微纳特征结构加工。目前利用激光束直写、电子束光刻等逐像素的加工方式效率低下，在整片晶圆范围内写满所需纳米尺度结构的时间甚至数以天计，成本极高；那些高效率的纳米光刻方法，例如纳米压印和干涉光刻，又往往缺乏灵活性，前者是一种依赖模板图案的复制技术，要求高分辨率的模板制造设备，后者通常只适用于制作大面积周期性的纳米结构。因此超构表面的产业化还需革新性的微纳加工技术支持。2022年，香港大学的李文迪课题组利用干涉光刻光强分布和光刻胶的非线性响应特点，首先通过干涉曝光得到大范围较为均匀的纳米结构，再由灰度图案二次曝光方法分区剪裁纳米结构的特征尺寸，极大提高了空间变化纳米结构的制备效率。另一方面，由于电子束光刻或极紫外光刻等传统工艺曝光范围有限，大孔径超构表面的加工存在困难。2022年，华中科技大学的易飞课题组开发了一种“多版图拼接式投影曝光”技术，其将5cm孔径超构透镜的图案划分成9个部分，每个部分使用一块掩模版实现，最后拼接组合成完整的大口径超构透镜。这些加工方法可借鉴于偏振成像超构表面的制造过程中。

这项研究获得国家自然科学基金（No.51975483基金）、陕西省重点研发计划（No.2020ZDLGY01-03）、宁波市自然科学基金（No.202003N4033）、深圳市虚大自由探索项目（No.2021Szvup112）以及深圳市虚拟实验室建设项目（No.YFJGJS1.0）的支持。

编辑：黄飞