偏振成像在信息獲取的維度上不同于光強或光譜等傳統成像技術，不僅能采集場景的二維空間分布信息，還可獲取偏振度、偏振角和橢圓度等偏振特性參量。偏振成像技術在目標探測、水下成像、生命科學、環境監測、三維成像等領域具有廣闊的應用前景。

為解算場景的偏振態信息，偏振成像系統需要采集多幅偏振態互異的強度影像，其中偏振分光或濾光器件起到關鍵作用，它不僅決定偏振成像系統的探測模式、譜段范圍和分辨率等光學性能，也在很大程度上影響了系統整機的架構、體積、質量等指標。隨著微納加工技術的發展，利用微納加工工藝在半導體襯底上制備微納結構從而調控光場偏振特性的光功能器件，因其輕量化、集成度高、結構穩定性好等優點受到了研究人員的青睞。目前，微納結構偏振器件亞波長金屬線柵的發展較為成熟，已實現從可見光波段到紅外波段的產品系列化。超構表面（Metasurfaces）作為超構材料的二維平面形式，兼具工藝可實施性和光場多維調控能力，成為研究人員新的追逐方向。基于超構表面的偏振器件可同時調控光場的TM偏振和TE偏振分量，從而理論上使器件的能量利用效率突破50%。

據麥姆斯咨詢報道，近期，西北工業大學、西安現代控制技術研究所與北京理工大學的聯合科研團隊在《中國光學（中英文）》期刊上發表了以“面向偏振成像的超構表面研究進展”為主題的綜述文章。該文章第一作者是周俊焯博士，主要從事微納偏振器件、偏振成像系統及其應用方面的研究；通訊作者是虞益挺教授，主要從事微納光學成像與傳感技術方面的研究。

該文章針對偏振成像領域，綜述相關超構表面的功能原理、發展脈絡和未來趨勢，討論并展望其在成像應用和系統集成方面所面臨的挑戰與未來。

面向偏振成像的超構表面器件

超構表面調控光場的研究熱潮興起于2011年哈佛大學Capasso課題組的一項研究工作。該工作基于費馬原理提出廣義斯涅爾定律，指出在兩介質的交界面上對光波施加離散的相位突變即可調控波前，并基于V型等離激元天線結構設計了波束偏轉器和渦旋相位板。超構表面體現出對光場精細調控的能力，引起科研人員對于微納光子學器件濃厚的研究興趣，由此基于超構表面的波片、偏振調控全息、特殊光場生成器等器件被陸續提出。

針對偏振成像領域，基于超構表面的偏振器件，可分為光柵型和透鏡型兩類。光柵型偏振成像超構表面將不同偏振態的光映射到光柵的不同衍射級次，通過搭配后置透鏡會聚光束到探測器焦平面，從而實現分孔徑型偏振成像；透鏡型偏振成像超構表面則將入射光按照預設的偏振態分束，并分別會聚到指定焦點位置處，可實現分焦平面型或分孔徑型偏振成像。兩者均有望代替亞波長金屬線柵集成到偏振成像系統中，并突破后者的能量利用效率極限。盡管超構表面能對TM偏振光和TE偏振光進行空間復用，但其能量利用效率的提升并非一蹴而就。構成超構表面的基本單元經歷了從等離激元結構，到間隙表面等離激元結構，最后到全電介質結構的演變過程。

基于等離激元結構

早期的超構表面采用金或銀等金屬材料作為其結構材料，這是因為它們具有高的電子密度和電導率，使其在紅外或微波波段具有良好的性能表現。但在可見光波段，電磁波頻率接近自由電子共振頻率，電磁波入射金屬結構會引起金屬內部自由電子的集體振蕩，即等離激元現象，導致入射波能量轉化為自由電子振動能量，從而使基于等離激元結構的超構表面體現出很強的金屬損耗，通常其能量利用效率不會超過10%。為提高超構表面的能量利用效率，研究人員采用間隙表面等離激元結構設計超構表面。間隙表面等離激元（GSP）結構是在金屬納米諧振器和金屬膜層之間插入亞波長厚度的電介質隔層，通過電介質隔層上下兩側的表面等離激元耦合實現光場增強，從而提高器件的光能利用效率。

圖1 基于等離激元結構和全電介質結構的超構表面。（a）基于GSP結構的全斯托克斯偏振測定光柵型超構表面；（b）該光柵型超構表面由3組相位梯度不同的微納結構陣列組成，可調控(x, y)、(a, b)、(l, r)正交偏振態；（c）基于GSP結構的光柵型圓偏振分光超構表面；（d）基于GSP的透鏡型偏振分光超構表面；（e）超構單元包含2種TiO?微納結構，分別調控左旋和右旋偏振光；（f）圓二色性甲蟲外骨骼成像實驗；（g）超像元由分別會聚x，y，a，b，l，r偏振態的超構透鏡組成；（h）該超構表面可作為Hartmann-Shack波前傳感器，徑向偏振光的強度分布（左），解析得到的偏振輪廓圖（右）

基于全電介質結構

為進一步提高能量利用效率，并實現工作于透射模式的偏振分光超構表面，研究人員考慮使用低損耗的電介質材料作為超構表面的結構材料。由于避免導體電子與光波作用產生的等離激元現象，電介質結構單元對光場的振幅和相位調制量隨結構尺寸的變化較為平滑，不存在振幅相位突變點，這有助于結構單元排列。

基于幾何相位和傳輸相位

由于電介質材料具有較大的折射率和較小的衰減系數，因此電介質超構表面可以避免歐姆損耗和材料色散等問題。此外，電介質超構表面的制造工藝與半導體金屬氧化物制造工藝兼容，有望實現光功能芯片和電子電路芯片的一體化集成。然而，上述超構表面設計通過交織排列對不同偏振態光進行調控的微納結構陣列，從而實現多種偏振態的分束聚焦，這種分割孔徑的設計方法或對單偏振模態進行濾光的工作機理使其能量利用效率極限僅為50%，未能充分展現超構表面多維光場聯合調控的優勢。利用幾何相位和傳輸相位相結合的光場調控方法可實現對正交偏振態的同時調制，進而突破傳統方法的能量利用效率極限。幾何相位是電磁波在偏振態轉換過程中，各向異性結構的幾何旋轉會使之產生一個額外的相位，由1956年印度科學家Pancharatnam和1984年英國理論物理學家Berry分別獨立研究發現，故也稱為Pancharatnam-Berry相位。傳輸相位和幾何相位結合調控光場的方法，也可用于構造單透鏡型偏振分光超構表面，實現分孔徑偏振成像。

圖2 基于幾何相位和傳輸相位原理的全電介質超構表面。（a）由非晶硅納米橢圓柱構建的超構表面；（b）光柵型偏振分光超構表面、透鏡型偏振分光超構表面、偏振調控全息超構表面和偏振調控特殊光場生成超構表面；（c）透鏡陣列型偏振分光超構表面；（d）目標偏振圖案（左）、基于常規偏振成像方法得到的偏振圖案（中）、基于超構表面得到的偏振圖案（右）；（e）單透鏡型偏振分光超構表面；（f）3塊偏振分光超構透鏡拼成的超構表面；（g）6種基本偏振態入射，超構表面的偏振分束聚焦效果實驗與仿真的比較

超構表面系統集成研究

器件研究的最終目的是其系統集成。2019年，哈佛大學的Rubin等基于矩陣傅里葉光學設計光柵型偏振分光超構表面，并將其集成于相機系統實現偏振成像。

圖3 基于矩陣傅里葉光學的光柵型偏振分光超構表面的原理、成像及系統。（a）光柵型偏振分光超構表面原理圖；（b）搭配后置透鏡和探測器可實現偏振成像；（c）4種非常規偏振態；（d）集成該超構表面的全斯托克斯偏振成像系統；（e）偏振測定圖像；（f）偏振角圖像；（g）全斯托克斯偏振測定模塊

以上內容以能量利用效率主線，介紹基于等離激元結構和全電介質結構的偏振成像超構表面。兩種超構表面按照其功能形式，可分為光柵型和透鏡型，透鏡型偏振成像超構表面根據其結構形式又可分為單透鏡型和透鏡陣列型；按照其工作機制，可分為濾光型和分光型。表1列出本節詳細闡述的超構表面的工作波段、能量效率、工作模式、制備材料、加工工藝及其功能形式。

表1 本節詳細闡述的超構表面特性比較

未來發展方向

不論何種功能類型的超構表面器件，其底層機理都是微納結構單元在該點處對光場兩正交偏振方向的振幅和相位調制，最終使得整塊超構表面的光學響應等于各離散點光學響應在空間上的線性疊加，因此超構表面的設計可以歸結于超構單元及其排列方式的設計。超構表面的未來發展就是以超構單元為切入點，對其材料、性態、結構、排列等屬性進行優化，例如耦合波導超構單元設計、機器學習輔助超構單元排列、基于活性材料的超構單元設計等。面向偏振成像的超構表面在上述發展趨勢的共性中體現出個性，表現為對工作波段、偏振性能、設計效率和可調特性的緊密關切。目前，超構透鏡是超構表面產業化的主流方向，許多寬帶消色差、機器學習輔助設計和動態可調研究是針對超構透鏡的，但是“千舉萬變，其道一也”，面向超構透鏡的優化設計方法對偏振成像超構表面也極具參考價值，尤其是透鏡型偏振成像超構表面。下面將介紹超構透鏡在寬帶消色差、機器學習輔助設計和動態可調方面的研究工作，并著重闡述這些研究方法對偏振成像超構表面所具備的可遷移性。

大帶寬消色差偏振成像超構表面

超構表面器件具有色散效應，一方面是由于電磁波傳播過程中的累積相位與波長相關，另一方面是超構單元的電磁響應特性受波長影響。不同于傳統折射光學元件，超構表面對電磁波的偏折角隨波長增大而增大，呈現反常色散現象。對于超構透鏡，其波長依賴的焦距導致像平面產生色差，嚴重影響成像質量。目前已有許多針對超構透鏡的寬帶消色差方法，主要思路是使各個位置處超構單元的色散特性滿足超構透鏡對隨波長變化的聚焦相位需求。

圖4 寬帶消色差偏振分光超構表面。（a）耦合矩形電介質波導結構；（b）聚焦相位可分為基礎相位和色散相位；（c）特殊設計的微納金屬結構單元存在數個諧振峰；（d）實驗和仿真得到的2種偏振態下超構透鏡焦長隨波長的變化情況；（e）2種線偏振光入射時測得的散射場強度分布圖；（f）近紅外波段消色差多維探測超構透鏡陣列；（g）XLP和LCP入射時測得的散射場強度分布圖

透鏡型偏振成像超構表面的設計原理與超構透鏡類似，不同之處在于前者的焦點位置與入射光波偏振特性相關，這是通過各向異性超構單元的雙折射效應實現的，由此單元排列而成的超構表面對正交偏振態呈現出兩種獨立的相位分布和振幅調制。因此參考超構透鏡的寬帶消色差方法，透鏡型偏振分光超構表面寬帶消色差的關鍵在于引入偏振相關的相位補償。論文中研究提出的寬帶消色差透鏡型偏振分光超構表面設計已初見成效，然而超構表面的尺寸與其消色差范圍存在內稟的制約關系，致使該類器件尺寸十分有限。為突破參量間的制約關系并進而提升超構表面的綜合性能，還需要對超構單元調制方式進行機理性研究。

機器學習輔助超構表面設計

盡管已有一些經典的物理模型對超構表面的工作原理作出解釋，并指導超構單元的結構設計及其排列方式，然而隨著人們對超構表面要求的不斷提高，結構單元更加復雜、結構數量指數上升、結構分布更加任意，這些都使得嚴格從物理模型推導超構表面的設計方法已經不能滿足人們的需求，必須借助算法來優化和設計超構表面。機器學習是一種人工智能實現方法，近年來被廣泛應用于工業生產、科學研究、醫藥診斷、經濟分析等領域，其通過數據驅動的思想建模，不直接引入人為設定的規則，而是從大量數據中學習得到研究目標的規律和特征，為微納光子學器件的結構設計提供了嶄新的方向。

機器學習方法可通過優化微納光子學器件的結構排布實現器件性能的優化。基于物理模型的超構表面設計方法首先根據器件功能的需要，計算出超構表面各點所需的振幅調制和相位突變量，通過數值仿真軟件掃描超構單元結構參數，得到不同形狀超構單元及其光學響應的數據庫，從數據庫中挑選最符合預期的結構單元。但當超構單元結構參數較多、步長劃分較細時，基于全模數值仿真方法的超構表面設計周期很長。

圖5 基于機器學習的微納光子學器件設計。（a）可見光波段消色差多階衍射透鏡；（b）二分搜索算法流程;（c）逆向設計神經網絡；（d）透鏡型偏振分光超構表面；（e）端到端的統計機器學習框架；（f）多頻率點透鏡型偏振分光超構表面的仿真和實驗效果

逆向設計網絡將電磁響應作為輸入，超構單元結構參數作為輸出。但由期望的相位響應找到超構單元的最優結構參數并非是一個簡單的反問題，特別是在考慮多頻率點和偏振的情況下。例如，對于給定的相位要求是否存在物理上可行的超構單元結構，或者如何充分利用參數空間以最優近似這樣的相位要求，均是逆向設計網絡需要克服的難題。

盡管機器學習模型可以在海量數據的支持下不斷迭代優化其性能，但傳統的機器學習僅適應于特定的特征空間和數據分布，針對不同任務缺乏泛化能力，在物理本質相近但應用場景稍有不同的情境下即面臨失效的風險。目前，超構表面設計領域的機器學習模型通常用于結構單元的尺寸優化，而難以實現其形狀優化，但不同形狀超構單元因其具有不同的電磁耦合模式而在大帶寬消色差、大入射角范圍、高偏振消光比超構表面設計中起到關鍵作用。因此，增強機器學習模型在不同超構單元形狀間的遷移能力，并使其實現多耦合結構超構單元的電磁響應預測是該領域未來需要探究的方向之一。此外，目前機器學習方法優化得到的模型參數不具備可解釋性，其設計結果難以幫助研究者參透器件設計的真正奧義，如果沒有底層地對器件機理的深入了解，超構表面性能提升終將迎來瓶頸。因此，如何從機器學習模型中提取其物理含義或增強機器學習模型的可解釋性是該領域至關重要的命題。

動態可調偏振成像超構表面

大多數超構表面的材料和結構一旦固定下來，其功能往往也是確定的。但某些應用場合要求超構表面具有焦距動態可調的能力，例如：在顯微成像、目標探測等領域，需要成像系統具有可調的視場范圍和成像放大率；在極端工作溫度環境中，需要成像系統能補償因環境溫度偏離預設工作溫度而導致的光學離焦。目前，商業變焦鏡頭是在鏡頭中加入一組活動透鏡實現變焦，但其驅動機構體積龐大，致使成像系統集成困難。焦距動態可調超構透鏡為集成式變焦成像系統提供了一種解決方案。

焦距動態可調超構透鏡主要基于結構重組和活性材料兩種方法。基于結構重組的焦距動態可調超構透鏡通過改變結構單元的排列、形狀和方向，使得局部場態或整個系統的光學響應伴隨變化，結構重組通常利用柔性拉伸材料或微機電系統。

圖6 焦距動態可調超構透鏡。（a）基于柔性基底的動態可調超構透鏡；（b）縱向間距可調的超構透鏡組，原理示意圖（左）、器件的光學顯微鏡圖像（右上）、兩超構透鏡鍵合示意圖（右下）；（c）液晶浸潤實現焦點動態調制；（d）基于超低損耗相變材料Sb?S?的近紅外熱調控變焦超構透鏡；（e）環向拉伸實現焦距動態可調偏振分光超構透鏡；（f）器件焦距和能量透射率隨單元周期的變化曲線；（g）不同單元周期下電場能量隨縱軸方向的變化曲線

基于活性材料（AMs）的超構透鏡，將活性材料作為超構透鏡的功能單元或周圍環境介質的一部分，利用活性材料的光學參數可隨電、磁、熱等外部激勵而變化的特性，實現動態調焦。典型的活性材料有液晶、半導體、相變材料、石墨烯等。

為驗證焦距動態可調超構透鏡設計方法對偏振成像超構表面具有可遷移性，本文基于傳輸相位原理設計將正交線偏振態分束聚焦的全硅超構表面，利用有限時域差分方法（FDTD）仿真研究拉伸基底時透鏡型偏振分光超構表面的聚焦特性。

總結與展望

物體表面散射光的偏振態蘊含其形貌特征及理化特性等信息，使得偏振成像技術在目標探測、水下成像、生命科學、環境監測、三維成像等領域具有重要的應用價值。偏振分光棱鏡、染料系偏振片等傳統偏振器件難以滿足高集成、高性能、高可靠性偏振成像系統的需求。隨著微納制造技術的發展，微納結構偏振器件因其良好的光學性能和可靠的結構穩定性，得到科研人員的青睞。亞波長金屬線柵被證實具有較寬的工作波段，能在較大的入射角范圍和溫度范圍內具有優異的偏振性能表現；利用等效介質理論可以較準確解釋其光學性能；較少的可調參數允許有限時域差分（FDTD）或嚴格耦合波分析（RCWA）方法可快速尋找到最優結構參數解，使得該類器件的設計和優化過程較為簡單；納米壓印技術允許該類器件的批量生產，雙光束干涉曝光方法支持該類器件的快速制樣，因此亞波長金屬線柵的產品化、系列化已較為成熟。然而，亞波長金屬線柵僅利用了入射光中的TM偏振模式，原理上存在50%的能量利用效率極限。基于亞波長金屬線柵的偏振成像系統在低光能量的雜亂場景中難以達到預期的成像效果。二維超構材料，即超構表面，兼具工藝易施性和多維光場參量調控能力，可以獨立調控入射光中的TM偏振和TE偏振分量，從而突破亞波長金屬線柵的能量利用效率極限。

面向偏振成像應用的超構表面，可分為光柵型和透鏡型兩類，兩者均可集成于偏振成像系統。為實現高能量利用效率偏振器件，超構表面單元結構從最初的等離激元結構，發展到間隙表面等離激元結構和全電介質結構。等離激元結構超構表面因其本征的歐姆損耗導致其能量利用效率不超過10%；間隙表面等離激元結構利用電介質隔層兩面的表面等離激元耦合實現光場增強，但僅工作于反射模式下，且此類諧振式超構表面的工作帶寬較窄；全電介質結構基于幾何相位和傳輸相位結合的光場調控原理，可實現高能量利用效率的透射式偏振器件。未來為實現偏振成像超構表面器件的產品化，還需探究寬帶消色差、機器學習輔助設計、功能動態可調的偏振成像超構表面設計方法。

集成超構表面的分焦平面型偏振成像系統

2019年，Capasso課題組搭建集成全電介質光柵型超構表面的分孔徑型偏振成像系統，實現超構表面在系統集成領域的里程碑式突破。然而，分孔徑型偏振成像系統將不同偏振態的圖像映射到焦平面的不同區域，存在焦平面分辨率損失的缺點；此外，為解析場景偏振態，通常要求幾幅圖像的配準誤差小于1/10個像素，這與分孔徑成像系統固有的視場誤差相矛盾，需要后期對圖像進行配準處理。分焦平面偏振成像系統可以克服分孔徑型偏振成像系統的缺點，焦平面上分像素級的互異偏振態成像，不僅允許使用插值算法恢復其圖像分辨率，而且其視場誤差滿足偏振態重構的需求。透鏡陣列型偏振成像超構表面因其具有像素級的分偏振態會聚能力，有望構建分焦平面偏振成像系統；且其能提供數倍于波長的焦距，可避免傳統亞波長金屬線柵與探測器復雜的對準貼裝工藝。然而，器件的焦點和探測器的感光像元存在一一對應關系，對器件的位置精度提出極高要求；此外，設計焦距可能達到超構表面本身尺寸的數倍，從而導致較小的數值孔徑值，減弱器件對光的收集能力，這是另一個需要克服的難點。

高效率、大孔徑超構表面加工方法

超構表面為實現產業化，通常需要根據場景定制功能，因此對其進行快速制樣的加工技術必不可少。然而不同于亞波長金屬線柵，超構表面的功能依賴于空間變化的結構單元形貌，這意味著大范圍且精細的微納特征結構加工。目前利用激光束直寫、電子束光刻等逐像素的加工方式效率低下，在整片晶圓范圍內寫滿所需納米尺度結構的時間甚至數以天計，成本極高；那些高效率的納米光刻方法，例如納米壓印和干涉光刻，又往往缺乏靈活性，前者是一種依賴模板圖案的復制技術，要求高分辨率的模板制造設備，后者通常只適用于制作大面積周期性的納米結構。因此超構表面的產業化還需革新性的微納加工技術支持。2022年，香港大學的李文迪課題組利用干涉光刻光強分布和光刻膠的非線性響應特點，首先通過干涉曝光得到大范圍較為均勻的納米結構，再由灰度圖案二次曝光方法分區剪裁納米結構的特征尺寸，極大提高了空間變化納米結構的制備效率。另一方面，由于電子束光刻或極紫外光刻等傳統工藝曝光范圍有限，大孔徑超構表面的加工存在困難。2022年，華中科技大學的易飛課題組開發了一種“多版圖拼接式投影曝光”技術，其將5cm孔徑超構透鏡的圖案劃分成9個部分，每個部分使用一塊掩模版實現，最后拼接組合成完整的大口徑超構透鏡。這些加工方法可借鑒于偏振成像超構表面的制造過程中。

這項研究獲得國家自然科學基金（No.51975483基金）、陜西省重點研發計劃（No.2020ZDLGY01-03）、寧波市自然科學基金（No.202003N4033）、深圳市虛大自由探索項目（No.2021Szvup112）以及深圳市虛擬實驗室建設項目（No.YFJGJS1.0）的支持。

編輯：黃飛