三維成像技術具有強大的精細化空間數據描述能力，在消費電子、自動駕駛、機器視覺和虛擬現實等領域已成為最關鍵的傳感技術之一。現有的三維成像技術受到傳統折射元件和衍射元件的物理機制限制，難以滿足設備小型化、集成化、多功能、大視場、大數值孔徑、高分辨等性能要求。超構表面作為由亞波長納米天線陣列構成的智能表面，能夠實現對光場的振幅、相位、偏振等參量的人為調控，具有體積小、高空間帶寬積、高效率、多功能、大視場等優勢，有望成為新一代光學元件服務于三維成像技術。

據麥姆斯咨詢報道，近期，北京理工大學光電學院的科研團隊在《激光與光電子學進展》期刊上發表了以“基于超構表面的三維成像技術”為主題的文章。該文章第一作者為景曉麗，通訊作者為黃玲玲教授。

本文綜述了基于超構表面的三維成像技術進展，在超構表面的物理機制和應用優勢的分析基礎上，詳細介紹了超構表面在三維成像技術例如結構光技術、飛行時間法、光場成像和點擴散函數工程中的應用和表現，總結和展望了基于超構表面的三維成像技術面臨的挑戰和未來發展方向。

超構表面的物理機制與應用優勢

超構表面的物理機制

目前已報道的超構表面大致基于三類設計思想：共振相位超構表面、傳播相位超構表面、幾何相位超構表面。

共振相位超構表面于2011年由哈佛大學的Capasso課題組首次提出，利用局部表面等離激元諧振響應調控天線輻射場的相位，從而在亞波長尺度實現對光場的調控。如圖1（a）所示，使用V型天線實現對表面相位的不連續調控，該結構的相位調控自由度為臂長h和夾角Δ，掃描得到高效率、涵蓋0~2π相位調制的結構參數，如圖1（b）所示。金屬共振超表面通常采用V型、Y型和C型來構建更復雜的超原子。由于金屬超表面的效率和工作波段非常局限，研究人員提出基于米共振和法珀共振的全介質超表面，也稱為惠更斯超表面，該超表面的厚度遠遠小于工作波長，具有較高的工作效率和較低的損耗。

圖1 超構表面的物理機制和相位調控

2018年，Fan等根據傳播相位的設計方法設計一個基于SiN材料的大數值孔徑可見光超透鏡，其結構參數電鏡圖、掃描振幅和相位圖如圖1（c）、（d）所示。

幾何相位起源于1956年，印度拉曼研究所Pancharatnam首先提出當平面結構相對于z軸逆時針旋轉一個角度Δθ時，交叉偏振散射會產生一個額外的相位因子exp (i2Δθ)exp（i2φ）。隨后1984年，英國布里斯托爾大學的Berry闡釋該相位的產生源于光子態在高緯度空間中發生絕熱演化，稱為幾何相位，也稱作Pancharatnam-Berry（PB）相位。如圖1（e）所示，PB相位對應于在龐加萊球上兩點之間路徑引入的額外相位差值，等于各項微結構旋轉角的2倍。因此，幾何相位超構表面的相位調控自由度為微結構的空間取向角，可通過掃描長寬參數得到高效率的微結構參數，同時旋轉整體微結構獲得需要的相位調控，如圖1（f）所示。由此可見，幾何相位僅由入射光的偏振狀態和微結構的旋轉角度決定，因此幾何超構表面具有寬帶效應的特點。

超構表面的應用優勢

超構表面利用亞波長尺度下光與物質相互作用的物理機制，通過合理選擇和優化納米結構的形狀、大小和工程排布，對局部電磁場的振幅、相位、偏振、波長和軌道角動量等特性進行操縱，為實現光場調控提供了豐富的設計自由度。總體而言，在基于超構表面的應用技術中，超構表面具有系統緊湊、多物理量調控、大視場高效率等顯著特點，有望成為下一代被廣泛應用的新型光學器件。

基于超構表面的光學元件能夠滿足儀器的小型化，降低光學系統的尺寸、重量和功率等要求，在現代消費類光電子設備、無人機和空間應用中至關重要。超構元件的緊湊性主要基于超構表面的平面特性實現器件、系統的小型化和集成化，如圖2（a）所示，單片惠更斯超透鏡組成視場角30°的緊湊型近紅外成像系統。多片平面式超構表面可以實現傳統光學系統的折疊，充分利用設計空間，如圖2（b）所示，由多片超構表面組成的小型化平面光譜儀尺寸僅為1.6 mm×1.6 mm×1.7 mm。超構表面不僅可以實現光學系統的空間折疊，還可以與光源、探測器集成進一步提高其系統的緊湊性，如圖2（c）所示，單片超表面集成互補金屬氧化物半導體（CMOS）探測器構成掌上顯微鏡。基于超構元件的緊湊性另一方面體現在單層超構表面能夠設計多種光學功能。超構表面是由納米結構陣列組成的離散光學元件，可以在單層中交織多種功能，如圖2（d）所示，共孔徑交錯式超構表面實現多功能相位剖面的疊加，這在傳統光學中是不可能實現的。

圖2 超構元件的緊湊型系統

超構表面的另一個優勢是多維度物理量復用，基于亞波長單元結構，超構表面能夠實現偏振、相位、角度和軌道角動量這些光隱藏信息的可視化，結合前述單個超構元件集成多種功能，實現了傳統光學不易實現的功能和信息容量。因此，超構元件得以在全息顯示、多功能超透鏡等領域展示出驚人的應用優勢。

超構表面的光束控制是基于亞波長空間尺寸上裁剪反射光或透射光波前，因此多級衍射被抑制，波前操縱在理論上具有接近1的效率和數值孔徑（NA），這為大視場、大NA和高效率的工業設計提供了誘人的理論支撐。隨著微納加工技術的不斷進步，超構元件的效率進一步提升，會進一步推進超構元件在工業界、消費電子界的應用。

基于超構表面的三維成像技術

三維成像技術通過設計主動（如結構光照明、飛行時間法等）或被動（如雙目視覺、光場技術、點擴散函數工程）的編碼方式，使得位于不同深度的物體具有不同的強度響應，從而實現深度信息的獲取。這些三維成像技術在成像場景、成像視場、深度成像范圍、空間分辨率、深度分辨率和速度上表現各異。首先，成像場景與三維成像的主動或被動模式有關。相較于被動模式，主動成像由于可以額外投射可編碼圖案，在暗光、低紋理目標物體的環境中更有優勢，但對于高反光物體和高透過率物體，主動成像則常常因為相機局部過曝和反射圖案信噪比過低等原因，無法獲得全視場三維點云和精確點云數據。

成像視場和空間分辨率是描述三維成像中二維空間的性能指標。成像視場是指能夠實現三維成像的場景大小，一般用視場角表示，主要取決于各種三維成像技術中獲取信息量的空間大小，例如主動式技術中依賴于投射端的視場，被動式技術中依賴于拍攝端的視場大小。空間分辨率是指成像場景中可被區分的最小空間尺寸，一般用不同深度處的尺寸單位例如毫米或者角度分辨率表示，空間分辨率決定了三維重建數據的密度，是描述測量空間的重要參數。

在散斑型結構光三維成像和TOF法技術中，空間分辨率依賴于投射點云數量，在光場技術中，空間分辨率依賴于拍攝相機的分辨率和微透鏡個數，在PSF技術中，空間分辨率依賴于PSF的空間特性。深度成像范圍和深度分辨率是描述三維成像在深度方向上的性能指標。深度成像范圍是在成像視場內能夠獲取深度的距離最小值和最大值構成的深度空間，在結構光三維成像中一般依賴于投射端和拍攝端共同作用下能夠清晰成像的范圍，在TOF技術中依賴于光源能量和調制模式，光場技術中依賴于光場恢復算法中能夠被解算出的深度范圍，與三維重建算法和微透鏡參數有關，PSF技術中依賴于PSF整形的深度區域和算法解算區間。

深度分辨率是指成像視場內深度方向可被區分的最小距離，一般用不同深度處的距離單位（例如毫米）表示，深度分辨率是深度成像的重要性能參數。結構光三維成像中深度分辨率依賴于拍攝端焦距和系統基線，TOF技術依賴于光源調制模式和調制參數，光場技術依賴于微透鏡在系統的位置以及微透鏡的大小，PSF技術依賴于PSF隨深度的響應和深度解算算法。

三維成像的速度主要有兩方面因素，一方面是光機硬件設備對速度的影響，例如結構光和TOF技術在多次拍攝模式下，需要考慮投射圖案的幀速問題，一方面是硬件平臺和算法邏輯的影響，結構光需要大量的圖像匹配運算，而TOF一次運算可以直接獲得點對應的深度，在單點運算上要優于結構光技術，光場技術的深度解算分為視覺類匹配算法和凸優化算法，在速度變現上各異，PSF工程大多依賴于正則化的凸優化算法，本文重點討論超構表面器件在TOF技術中掃描幀速的表現，算法對深度解算的影響不過多探討。

最近，納米光子學的最新進展被認為是傳統激光雷達系統的支持甚至替代技術。特別是，一些小型化的光束轉向平臺，如芯片規模的光學相控陣和基于超表面的平面光學設備，可以切實縮小設備占用空間。除此之外，納米光子器件還可以在信息容量方面提供成像能力進而提升成像視場、空間分辨率等。本文回顧了基于超構表面的結構光技術、TOF法技術、光場技術和PSF技術。

結構光三維成像技術

結構光三維成像技術是一種非常流行的非接觸式三維形貌測量技術，其具有硬件配置簡單、測量精度高、空間分辨率高、速度快、成本低等優點，在工業和消費電子領域得到廣泛應用。結構光技術本質上是基于三角測量原理，由光源向被測物體投影一定規則和模式編碼的圖像，編碼圖案受到物體表面形狀的調制而產生形變。帶有形變的結構光被另外一個位置的相機拍攝，通過預先標定好的相機與投影光源之間的位置關系和結構光圖案形變信息推演出待測物體的三維信息。散斑編碼是結構光技術中常見的編碼圖案，一般要求局部圖案具有全局唯一性，而且散斑的數量決定了可解碼的信息量，影響待測數據的空間分辨率。超構表面具有亞波長的特征尺寸，多物理量光場調控的特點，因此用做結構光投射器具有大視場、高密度信息的優勢。

Ni等提出使用偏振無關的超構表面衍射元件，實現了具有120°×120°視場角，強度均勻且高效率的點云陣列投影，如圖3（a）所示。超構表面的達曼光柵具有衍射光學元件（DOE）無法達到的視場角，有望成為下一代分束器元件。基于幾何相位超構表面全息再現的共軛特性，Li等提出基于非晶硅幾何相位超構表面的全空間點云投射器，如圖3（b）所示，利用偏振復用的特點同時實現透射和反射空間的隨機點云，300 μm×300 μm的超構表面產生點云數量為4404個。高密度的圖案與超構表面的面積有關，隨著光刻技術的發展，Li等通過浸沒式光刻技術在12英寸玻璃晶圓上制備了尺寸為2.5 mm×2.5 mm的像素化超構表面光束偏轉器，如圖3（c）所示，像素化超構表面的每個像素由一組含有特定梯度相位的超構表面組成，具有特定出射角度，結合大面積光刻制造技術，隨機化的光束偏折形成了隨機點云用于結構光三維成像。

基于超構表面的平面性、易集成等優點，Xie等提出集成超構表面的垂直腔面發射激光器（VCSEL），如圖3（d）所示，超構表面集成在激光出光口處，通過精心設計的單元結構實現激光光束整形。通過VCSEL陣列集成不同功能的超構表面實現功能切換，使其成為一個主動器件，有望成為下一代點云投射器件。隨后，Wang等提出使用超構表面形成不同偏折方向的分束器，如圖3（e）所示，擴展VCSEL集成超構表面的功能。超構表面的高空間帶寬積使其具有大信息容量的應用潛力，如圖3（f）所示，Kim等實現了180°全視場約10 K的點列投影，結合雙目相機和立體匹配算法實現三維成像，同時Kim證明了結合納米壓印技術實現該技術量產的可行性。

圖3 基于超構表面的結構光點云投射器

基于超構表面的結構光三維成像技術目前多數采用超構表面作為點云投射器，亞波長單元尺寸的衍射效應使投影視場可達到整個空間，這是傳統光學元件無法比擬的優勢。同時超構表面投射的點云數量依賴于微結構的個數，相比于DOE，在相同尺寸下超構表面具有更大的點云密度，這為高空間分辨率的結構光三維成像提供了基礎支持。除此之外，超構表面作為納米光子平面器件，其高度集成性打破了傳統點云投射裝置的結構復雜性，使整個投影模組達到芯片級，具有更好的結構穩定性，降低對準誤差等精密工藝引入的制造成本。由于結構光三維成像技術屬于面投射技術，投射點云數量的增多同時會帶來單個點云能量的降低，因此基于超構表面的三維成像技術適用于較短工作距離（300 mm）成像例如人臉識別等。相較于傳統三維成像技術，基于超構表面的三維成像技術具有不虛焦的特點，增加光源能量可以擴展工作距離，這為結構光技術在工作距離方面提供了應用拓展，未來可以應用在飛行器測繪等領域。

飛行時間法

在學術界和工業界，高效、可靠、快速的激光雷達系統的研究正在蓬勃發展。激光雷達技術應用于各種行業，包括自動駕駛汽車、人工智能機器人、全自動和無人工廠，以及大氣或降雨觀測等。激光雷達基于TOF技術，最重要的性能參數包括測量范圍、水平和垂直視場、幀速、點數和功耗等。目前大多數采用宏觀機械掃描或微機電系統（MEMS）方法的產品，宏觀機械掃描儀的測量范圍通常在100~250 m，水平視場是完整的360°，而垂直視場取決于通道的數量，通常為30°~40°，獲得的最佳空間角分辨率為0.2°×0.1°。數據速率，定義為每秒可識別點的數量，范圍為每秒1.3×10?~2.4×10?點。目前傳統的TOF產品存在視場受限、功耗大、易損耗、笨重等問題。基于超構表面的激光雷達系統其工作原理依賴于亞波長相位控制與納米結構元件，允許較高的精度控制和較大的調制波前的方向角。光束掃描的主動超構表面器件通常將超構表面與活性介質結合，如透明導電氧化物（TCO）材料、多量子阱（MQW）、微機電系統（MEMS）、液晶（LC）或相變材料等。主動可調超構表面設備有望替代點掃描或線掃描激光雷達組件，解決傳統機械組件中的機械損耗大、振動敏感等問題。作為全固態激光雷達的一個有前途的候選方案，基于超表面的激光雷達原則上可以為特定應用量身定制，以滿足多波長操作、測距、分辨率、偏振、深度精度、視場、生產可擴展性和低成本的片上集成的要求。

基于TCO材料的主動可調超構表面

基于TCO材料的主動可調超構表面，通過控制活性層中的電荷濃度實現有效折射率的調節，從而引起超構表面的相位變化完成光束的動態轉向。此類型超構表面使用金屬氧化物半導體（MOS）調制器，具有低電壓偏置（幾伏）的高速調制（約為10 MHz）的優勢。氧化銦錫（ITO）是最常用的TCO材料之一，在近零區域（通常為近紅外波段）時，它的介電常數在?1~1之間，在電荷積累層附近電場約束進一步增強，這十分有利于構建電調諧納米光子器件。

Huang等提出并驗證一種工作在1550 nm波長下的柵極可調超構表面，可實現對反射場的相位和振幅動態電控可調。如圖4（a）所示，MOS調制器由頂部Au天線的柵極、Al?O?間隔層和ITO-Au背電極組成，當對MOS電容器施加1 V或更高的電壓時，ITO層發生電荷積聚，從而改變其有效折射率。ITO載流子濃度隨外加電壓的變化而變化，給定ITO層中的電荷濃度，可以計算出積聚層的厚度，從而預測器件的近場和遠場特性。實驗驗證，通過施加2.5 V門偏壓，調制速度可高達10 MHz，產生184°的相移和約30% 的反射率變化，開關功耗低至2.5 fJ。基于相移調控規律和低功耗的優勢，通過對多組不同周期的納米光柵結構施加電門控，可以調整±1衍射階的偏轉角度，實現有效的不同角度掃描。如圖4（a）所示，針對2 ~ 4 μm的周期性納米天線，在僅施加3.0 V電壓的情況下獲得?40°~40°的掃描區域。Park等在前述工作的基礎上，建立MIM間隙等離子共振模型，分析欠耦合，臨界耦合和過耦合狀態下的反射場，如圖4（b）所示，使滿足180°相位偏移、低損耗的微納結構設計更加高效，同時實現偏振照明的主動可調。除了采用不同的納米天線材料和對應優化的結構參數，采用雙門控方法，也可以進一步擴大天線的調諧范圍。

Shirmanesh等提出了雙門控場效應可調諧超構表面天線陣列，如圖4（c）所示，該雙門控超構表面結構由鋁背反射器、柵極電介質、ITO、柵極電介質異質結構和具有“魚骨”圖案的周期性鋁納米天線陣列組成。該結構提供了兩個門，一個在頂部天線和ITO層之間，另一個在背板反射器與ITO層之間。雙門控超構表面等價于兩個電壓獨立控制的串聯MOS 場效應結構，因此與單門控超構表面相比可以產生更寬的相位調諧范圍。介電層由氧化鋁/氧化鉿納米層結構制成，具有高擊穿場和高介電常數的優勢。頂部和底部的ITO/柵極-電介質界面在施加的外部偏置電壓下表現出電荷積累或耗盡，從而促使ITO層的復折射率發生大幅變化。在工作波長1550 nm下的實驗表明，約6.5 V的電壓足以實現89%的反射率調制和約300°的相移，在偏轉角度和損耗方面具有良好的優越性。Kim等使用基于雙門控等離子共振陣列結構的主動超構表面，獨立控制反射振幅和相位，相位范圍可實現0°~360°的角度偏轉，如圖4（d）所示，并首次成功實現10 m處的3D深度成像，掃描角度、角度步長和空間點數分別為6°×4°，0.2°×0.2°和31×21=651個。隨后，三星公司的Park等在該研究工作的基礎上，使用相同結構開發空間光調制器實現光束掃描功能，如圖4（e）所示，以5.4 MHz的速度實現振幅獨立控制的360°空間連續掃描，在250 μm×250 μm的面積上集成550 個獨立可尋址的微納共振結構，并開展工作距離4.7 m處的街道實景掃描實驗，其中車模型和人體圖的三維成像結果如圖4（e）所示。

圖4 基于TCO材料的主動可調超構表面實現光束掃描

基于MQW半導體架構的主動可調超構表面

MQW架構廣泛應用于各種高端光電器件，并有可能在可見光和較短的近紅外波段實現高達千兆赫茲速度的高速光電調制。目前基于MQW架構的主動可調超構表面的物理機制是：通過對MQW施加電壓偏置，利用量子約束斯塔克效應調制折射率，結合超構表面的光場特性實現主動可調。半導體超表面最顯著的優勢是可以直接在III-V族晶圓上單片生長，同時與基于MQW架構的LED、邊發射器和VCSEL等現有光源集成。

Wu等開發了一種實現有源超構表面的技術，超構表面的外延III-V異質結構由1.2 μm厚的未摻雜MQW層和具有分布式布拉格反射器結構的GaAs襯底組成，如圖5（a）所示。MQW在915~920 nm附近的近帶隙區域中其可調折射率實部范圍在0.01~0.05內，通過將具有Mie諧振和導模諧振的混合超表面與可調諧MQW結構結合，可以進一步擴大調制范圍。具體來說，部分蝕刻的雙縫MQW光柵結構在916 nm和963 nm附近出現了反射率下降。這種混合諧振模式增強了917 nm附近的電光調制，并產生了約270%的反射率調制和70°的相移。利用MQW折射率實部的電光調制和可調光柵結構，將其應用于光束轉向。實驗證明使用約3 V的偏壓可實現全視場20°的光束掃描。在此研究工作的基礎上，Khaidarov等在混合金屬布拉格腔的GaP LED光源上集成超構表面，如圖5（b）所示，布拉格腔用來減小光束的發散角，超構表面通過光柵結構調整光束偏折角度，從而實現了30°視場范圍的動態光束掃描，但效率僅為3%。

圖5 基于MQW架構的介電主動可調超表面

基于MEMS集成的主動可調超構表面

MEMS集成超構表面一般通過MEMS實現動態可調，超構表面以亞波長優勢實現光場調控。Holsteen等設計了一種驅動懸浮硅超構表面器件，能夠實現瞬態顏色控制、動態光束控制和光聚焦等多項功能，如圖6（a）所示，器件由SOI基底和硅超構表面組成法珀共振模式，該器件的調制速度為1 MHz，偏置電壓為2~3 V，其中在2 V偏置電壓下覆蓋12°的掃描視場。除了上述將MEMS用作動態控制超構表面模式器件外，利用超構表面的亞波長調制特性，也可將其應用于傳統光束掃描方案中替代已有光學器件。偏心微透鏡陣列（DMLA）是一種MEMS光束掃描方案，它作為機械和全固態方法的過渡技術，具有速度快等優勢，但受限于傳統微透鏡的F數限制在角度分辨率性能上難以提升。Chen等提出使用超構透鏡構成兩組偏心透鏡陣列，開發基于超構表面透鏡陣列的半固體微機械光束掃描系統（MMLA）。兩組透鏡陣列構成共焦系統，前組透鏡相對于后組透鏡的微小橫向位移可實現出射光束的角度偏轉控制。因為超構透鏡陣列具有極小的F 數，可獲得接近衍射極限的角度分辨能力。實驗中實現了30°×30°的視場角和0.14°的角分辨率，可以清楚地識別三維物體，掃描速度可優化至10 kHz左右，如圖6（b）所示。在大角度掃描方面，Martins等提出使用超構凹透鏡擴大出射角度的方法，結合具有MHz 掃描速度的聲光偏轉器（AOD）將入射光束定向至超構透鏡的不同徑向位置處，從而實現大角度150°的動態光束掃描，如圖6（c）所示，成功實現人體不同位姿的三維重建和識別。

圖6 MEMS集成超構表面實現光束掃描

基于液晶與相變材料的主動可調超構表面

液晶分子在外加電壓下能夠實現動態折射率控制，因此基于LC的空間光調制器（SLM）常用于激光雷達三維成像中。但LC層的厚度和小像素尺寸存在本質約束，嚴重限制了小像素尺寸SLM的發展應用。Li等提出集成TiO?超構表面和LC，實現亞波長像素尺寸的SLM，如圖7（a）所示。超構表面結構集成在液晶夾層中，根據液晶分子的取向0°、45°、90°實現三級相位延遲，通過施加0、3.5、8 V的偏置電壓實現角度11°的偏轉，但液晶集成超構表面的結構調制速度只有kHz，切換時間為ms級。除此之外，相變材料是一種制備有源可調超構表面的材料，通常在外部熱、光和電的激勵下，在非晶態和晶態之間快速和重復切換，如圖7（b）所示。Yin等提出一種基于相變材料高度集成的等離子體有源超構表面實現光束轉向。有源超構表面由50 nm厚的相變材料有源層（Ge?Sb?Te?）、15 nm厚的防氧化層和40 nm厚的Au天線組成，當溫度加熱到160°時切換至非晶態。該結構有兩組不同等離子共振的納米天線，在非晶態和晶態下分別具有不同的共振模式，從而改變衍射光束的衍射角，實現光束偏折可調功能。

圖7 （a）基于液晶的主動可調超構表面；（b）基于相變材料的有源超構表面

以上幾種調控方式實現的動態可調諧超構表面光束掃描方案，具有不同的特性。TCO適用于近紅外和中紅外波段，調制速度達到幾十MHz，其中雙門控結構具有高載流子密度，成像視場可達到180°，相較于結構光技術，其點云密度較少，但計算速度快，因此在自動駕駛等領域擁有巨大的應用潛力。MQW適用于可見光和近紅外波段，調制速度比TCO 更快，最快能夠達到幾千MHz，并且和光源直接集成，有望實現平面化高集成度光電器件，但MQW目前效率較低，且基于可調光柵結構導致掃描角度有限，后續有望采用陣列電控模式拓寬其掃描角度。MEMS系統通過形變實現連續的光束掃描，但調諧范圍有限，只有±12°的成像視場，基于透鏡相位組合的MEMS超構表面器件擴大了成像視場，相較于傳統MEMS器件在成像視場和空間分辨率上有極大的優勢，但是離散元件結構同樣會面臨機械結構慣性引入的技術問題。基于液晶的主動可調超構表面可以在太赫茲到可見光的寬波段內工作，切換時間為ms級，速度較慢，相變材料GST通過改變溫度可在非晶相和晶相之間實現ns級切換，其高折射率可應用于紅外波段，且在實際工程應用中快速溫控調節會使整機體積變大，離真正的集成器件仍有一定的距離。

光場技術

光場成像的理論背景源自全光函數，全光函數是對空間中光分布的非物理、無模型、純現象學的描述。為了在不參考底層成像機制的情況下適應于光的所有可能變化，全光函數采用高維函數L（x，y，z，θ，φ，λ，t）描述任意空間位置（x，y，z）、任意入射角度（θ，φ）、任意波長λ、任意時刻t的亮度值。考慮到實際成像裝置是宏觀的，同時假設測量函數是帶限的，我們可以使用四維（4D）函數（u，v，s，t）描述光場，對應于物理空間中的一條光線，該函數也被稱為相空間函數。傳統的光場成像通常使用小孔陣列、微透鏡陣列和編碼孔徑陣列等對光場函數進行采樣，結合后期計算機視覺算法獲取光場信息，將投影移動到不同的焦距，這使用戶能夠在采集后自由地重新聚焦圖像從而得到真實場景的三維信息，已逐漸應用于工業、虛擬現實、生命科學和三維流動測試等領域。其中微透鏡陣列相對于針孔陣列具有更高的能量利用率和信噪比，相對于編碼孔徑陣列更易于制造，因此被廣泛應用于光場相機中。光場相機的性能分為空間和深度兩部分，其中空間分辨率和深度分辨率取決于相機傳感器的像素數，是一對相互約束的性能指標，同時光場相機要求具有更寬的視場和更大的景深。隨著相機傳感器像素的尺寸越來越小，尺寸更小的微透鏡陣列設計和加工制造同樣面臨著挑戰。基于超構表面的超透鏡研究目前已趨于成熟，在消球差消色差等方面有顯著進步，由于傳統折射球面透鏡很難通過一片式透鏡實現消色差和球差，超透鏡陣列的引入為光場成像的性能提升帶來新的希望。

2019年，Holsteen等提出多功能光場超構表面實現高分辨率的三維單粒子追蹤。超構表面陣列采用共孔徑相互交疊的三個透鏡相位，如圖8（a）所示，共孔徑透鏡相位相比相同口徑內分離的三個透鏡相位具有較大的NA，從而實現衍射受限的橫向分辨能力，結合三個透鏡陣列組成的光場模式，在0.5 mm×0.5 mm×0.3 mm測量體積內進行多個熒光粒子的同時跟蹤，且具有亞微米水平和微米水平軸向分辨率。該方法基于超構表面的相位復用技術實現多功能透鏡陣列，解決了三維單粒子追蹤橫向分辨率不足的問題，且超構表面的小型化和平面化使其可以適配未經改裝的顯微鏡，相對傳統光學元件具有廣闊的應用前景。針對傳統單片透鏡難以實現消色差的問題，Lin等通過納米柱和納米孔的結構參數設計滿足群延遲和群延遲色散的補償，實現單個超透鏡消色差功能，將60×60的消色差超透鏡陣列應用于光場相機中，獲得不同焦深的動態實時全彩成像，如圖8（b）所示。

2020年，Kwon等通過偏振復用和空間復用的方法充分利用超構表面的緊湊性和多功能性，設計雙層超構表面（垂直級聯）組成的小型化定量相位梯度顯微鏡，如圖8（c）所示，第一層超表面形成剪切的兩幅正交偏振態圖像，經過第二層的三個離軸超透鏡后分別疊加上不同的相位，最終在像面上得到三幅干涉圖，結合三步相移算法和差分干涉對比提取定量的相位梯度信息，獲得了亞微米尺度的軸向分辨率。超透鏡陣列不僅可以同時獲得待測物體的位置信息和角度信息，在不同視差情況下的像差表現也具有差異性，基于超透鏡陣列的成像像差特性，Liu等提出使用超透鏡陣列實現像差校正的三維定位技術，如圖8（d）所示，該方法利用3個超構透鏡形成的有視差的3幅圖像，設計基于互相關的梯度下降算法對圖像進行單色像差校正以提高成像質量，利用校正后的圖像計算視差值得到其深度信息，實現亞微米級別的三維定位。

2022年，在前述超透鏡陣列光場相機的研究基礎上，Fan等提出基于偏振復用的雙焦超透鏡陣列用于擴展景深的光場成像，如圖8（e）所示，該技術通過對場景中的自然光進行正交偏振態的不同光場調制，在拍攝場景的近端和遠端均可自發實現光場信息的獲取。雙焦超透鏡引入的像差可構建為調制矩陣，由后期的深度學習算法去除像差后結合傳統的基于視差幾何的光場恢復算法，實現3 cm~1.7 km的超大景深光場成像。為了解決光場成像被動成像對暗光等環境適應性差的問題，Chen等提出集成結構光技術和光場技術的超透鏡陣列設備實現復雜環境的深度感知，如圖8（f）所示，該方法利用超透鏡陣列的逆向光路，由激光光源和探測器組成共軛光路，當環境變暗時，打開激光光源經過超透鏡陣列投射陣列光點形成結構光投影，結合三角測量原理恢復300 mm測量范圍的深度信息。

圖8 基于超構透鏡陣列的光場三維成像技術

基于超構表面的光場技術本質是利用尺寸小、無球差可復用的超透鏡陣列替代傳統微透鏡陣列實現更高分辨率、更大工作范圍的三維成像技術，因此可根據不同距離處不同視場大小的測量場景選擇主鏡配合超透鏡陣列實現三維成像，在顯微成像、自動駕駛、人臉識別等領域均具有廣闊的應用前景。在空間分辨率和深度分辨率方面，超透鏡陣列可通過設計實現對應測量場景的折中，隨著未來探測器的像素尺寸越來越小，像素數越來越大，超透鏡陣列的光場成像技術方案將發揮不可替代的作用，致力于新一代光場成像應用。

點擴散函數工程技術

線性不變光學系統可以通過PSF來完全表征。通過設計具有特定性能的PSF可以得到具有所需性能的成像系統。例如，具有拋物形相位剖面加上立方相位項的擴展焦深超構表面，在整個可見光區域具有不變的PSF，可以使用白光進行聚焦，全可見光譜直接成像。因此，基于PSF工程的三維成像技術需要設計一個隨深度變化的PSF，其中雙螺旋PSF（DH-PSF）隨著待成像物體沿軸移動而旋轉，可以唯一地編碼物體距離，常被應用于快照式深度信息獲取中。除此之外，離焦恢復深度技術本質上是使用隨深度變化的離焦函數作為系統的三維PSF，結合計算機視覺算法恢復深度信息。超構表面具有多功能性和多物理量調控的特征，在基于PSF工程的三維成像技術中得到初步應用，促進該技術在小型化、大景深、多物理量獲取等方面的發展。

2019年，Guo等提出基于共孔徑雙焦超透鏡的離焦深度恢復方法，在單個探測器的不同區域上同時形成2幅不同的離焦圖像，實現快照式被動三維成像，如圖9（a）所示。口徑為3 mm的超透鏡實現在10 cm深度測量范圍內測量誤差低于5%（置信度為0.5），經預校準后的深度恢復算法使用少于700個的浮點運算，可實現實時深度計算。由于超構表面的高頻相位不連續，因此超構透鏡具備比衍射元件更大的色散。色散在傳統成像設計中會影響成像質量難以消除，但在計算成像體系中，色散設計引入了波長編碼PSF的另一個物理維度。2021年，Tan等提出基于超透鏡極端色散實現三維彩色圖像重建，如圖9（b）所示。超透鏡R、G、B三個通道具有不同的深度依賴PSF，利用兩個卷積神經網絡U-Net恢復出深度圖和RGB紋理信息，數值模擬展示了口徑1 mm的超透鏡能夠實現0.12~0.6 m的深度信息和彩色紋理信息重建。DH-PSF是常用的深度依賴PSF工程技術，Jin等提出DH-PSF和透鏡相位疊加的緊湊型深度定位系統，如圖9（c）所示，該技術使用等離子超構表面實現相位疊加功能，相對于傳統光學系統減小了元件個數和體積，充分利用超構表面的多功能性實現儀器的小型化，該項研究工作證明了軸上單個物點和軸外雙物點的旋轉角度和深度的線性關系，在可見光和多種入射偏振狀態下實現73.9%的效率。基于該項研究工作，Jin等提出使用介質超表面實現上述功能，并通過計算相機測量圖像的功率譜，生成具有深度信息的場景圖像，如圖9（d）所示。為擴大DH-PSF技術的成像景深，Colburn等提出三次方相位和DH-PSF相位以超構表面空間復用的方式物理實現，如圖9（e）所示，能在可見光波段對場景中的深度信息編碼為兩個互補的PSF，通過三次方相位擴展景深，對捕獲數據進行反卷積處理恢復其二維強度圖和深度圖，測距誤差為1.7%。結合超透鏡的強大橫向色散能力和光場技術，Hua等提出超緊湊快照式光譜光場成像技術，如圖9（f）所示，該技術通過光場和色散聯合編碼不同深度和波長通道的PSF，構建正向成像模型并設計相應的凸優化算法，以48 × 48個口徑30 μm的超透鏡陣列實現4 nm的光譜分辨能力和30 cm范圍的深度成像。

圖9 基于超構表面的PSF工程技術用于三維成像

由于超構表面的多物理量調控特性，基于超構表面的PSF工程技術拓寬了傳統PSF工程技術的成像維度。超構表面打破了原有相位調控的單一維度，利用偏振、光譜等維度實現多功能選通、調控物理量獲取等功能。該技術在不配合主鏡的情況下受限于超透鏡的設計瓶頸，只能在較小范圍內（實驗中大致為mm）實現三維成像，配合主鏡，可實現成像范圍自由配置，能夠實現對傳統相位元件的完全替代和超越，廣泛應用于具有豐富紋理的測量場景中。

結束語

三維成像技術中超構表面的共性限制

超構表面采用平面加工技術，有效地融合了光學和芯片制造技術，為工業應用提供了巨大的優勢。相比之下，體三維材料的納米結構仍然是一個相當大的挑戰。盡管3D激光直寫等技術正越來越接近100 nm以下的分辨率，但在可見光和近紅外環境下工作的體積超材料仍然遙不可及。因此平面超表面主導著研究和應用，但平面化超構元件在三維成像技術中的工程應用依然存在著挑戰。實驗室用于超構表面制造的許多材料與半導體制造代工廠的行業標準不兼容。因此，將技術轉化為可擴展的制造和行業標準通常具有挑戰性。例如，金和銀等普通等離子體金屬與CMOS制造不兼容。介電超表面（通常由硅制成）彌補了這一差距，然而，傳統的CMOS芯片制造使用絕緣體上的硅晶圓，但光學超表面需要透明襯底上的硅。最近，Metalenz與意法半導體合作使用極紫外光刻技術。然而，這種制造技術在a- Si層沉積的可重復性、對環境變化的魯棒性，以及使用玻璃晶圓時的工藝方面仍然存在挑戰。另外在可見光和紫外光譜范圍內實現其他材料的操作將進一步挑戰制造工藝。

三維技術目前大多數應用于可見光和紅外波段，在相應波段的微納結構設計和先進材料等方面也不斷取得進步。在設計方面，超構表面近年來取得了巨大的進步，最初的納米圓柱體微納結構已經被高性能的逆向設計結構所取代。隨著微納光學應用的擴展，學界正在積極探索不同高折射率介電材料的制備。電介質材料如TiO?、GaN、SiN和SiC等已經得到研究證明。

最后，可以取代現有光學元件的大面積超構表面的制造并非沒有挑戰。大多數實驗室使用的電子束光刻工具不能大面積制模，深紫外光光刻需要先進的掩模。基于超構表面的結構光技術和TOF技術中均存在零級效應，實驗效率低于理論效率，這是加工不完善導致的，因此先進材料、復雜結構、大口徑、高精度的超構表面加工技術面臨的挑戰急需解決。

超構表面在三維成像應用中的性能瓶頸

在基于超構表面的結構光三維成像技術中，受限于超構表面的微納加工工藝，現有基于超構表面的投影器件具有很大的零級效應，造成能量損耗，不利于人眼安全，為了超構表面投影器件能夠快速走向實際應用，這些都是迫切需要解決的問題。另外，超構表面的引入并沒有打破基線約束，結構光模塊的整體體積還有待壓縮，深度方向依賴的編碼投影器件有助于打破基線，使整體系統小型化、平面化和高度集成。

TOF技術中：基于TCO的三維成像技術瓶頸在于角度掃描個數較低，需要設計自由度更高的超構表面實現更多的相位模式調制；基于MQW的三維成像技術走向應用需要解決大陣列單獨電控元件的加工問題；基于MEMS超構表面的三維成像技術需要解決MEMS和超構表面元件分離帶來的機械慣性問題，需從加工方面解決集成問題；基于液晶和相變材料的三維成像技術需要解決幀速的問題。

光場技術中，超構表面作為超透鏡陣列展現出優于微透鏡陣列的良好性能，在大視場消色差方面仍表現不足，目前在算法上可使用標定解決此問題，但通過逆設計選擇合適的結構實現大視場消色差超透鏡陣列，將實現超構表面光場技術在三維成像精度上的大幅提升。

PSF工程技術中，超構表面作為相位編碼元件和透鏡元件的多功能復合元件，展現了其集成系統的優秀能力。但是超構表面仍然面臨著口徑小導致的工作距離短等問題，在大的成像范圍內需解決超構表面口徑的加工和設計問題，大口徑加工屬于上述討論的共性限制，設計層面來講，和超透鏡陣列類似，超構表面需解決大視場消色差（非光譜調制的系統）設計的基礎問題。

基于超構表面的新型三維成像技術挑戰

目前基于超構表面的三維成像技術大多依賴于超構器件的小型化和多功能性，成像原理依然停留在傳統成像的物理機制中。傳統的三維成像系統如結構光和TOF技術，空間分辨率取決于點云投射數量和點云最小尺寸，這些基本的性能限制由于超構元件的引入而有所提升。針對微透鏡陣列的光場技術而言，像差的基本限制來源于Snell定律，超透鏡的引入可以有效去除球差和部分色差。但是超構表面的物理機制例如超材料的耦合、共振和非線性效應能否打破現有成像機制帶來的性能瓶頸，是一個值得研究的課題。

超構表面具有豐富的光場調控自由度，但目前應用于三維成像技術大多是基于相位、偏振、色散調控，每個額外的信息通道都賦予了超構表面從高維數據編碼的機會，因此其他通道例如角動量或者角度敏感性等方面存在相當大的潛力。

對于應用于工業4.0、自動駕駛等領域的新型三維技術需要適應復雜的環境例如強光干擾、厚云霧等情境，對于應用于航天觀測的三維技術要求系統穩定來解決湍流擾動等工程難題，除此之外還有水下成像等。因此開展超構表面的復雜環境中的成像穩定性研究，能夠提高超構表面相對于其他傳統元件的核心競爭優勢。

這項研究獲得國家自然科學基金（62105024）和中國博士后科學基金（2021M690389）的資助和支持。

審核編輯：劉清